Электрический ток в жидкостях
Как известно, химически чистая (дистиллированная) вода является плохим проводником. Однако при растворении в воде различных веществ (кислот, щелочей, солей и др.) раствор становится проводником, из-за распада молекул вещества на ионы. Это явление называется электролитической диссоциацией
, а сам раствор
электролитом
, способным проводить ток.
В отличие от металлов и газов прохождение тока через электролит сопровождается химическими реакциями на электродах, что приводит к выделению на них химических элементов, входящих в состав электролита.
Первый закон Фарадея: масса вещества, выделяющегося на каком-либо из электродов, прямо пропорциональна заряду, прошедшему через электролит
Электрохимический эквивалент вещества — табличная величина.
Второй закон Фарадея:
Протекание тока в жидкостях сопровождается выделением теплоты. При этом выполняется закон Джоуля-Ленца.
Онлайн журнал электрика
Электронный ток в жидкостях
В железном проводнике электронный ток появляется направленным движением свободных электронов и что при всем этом никаких конфигураций вещества, из которого проводник изготовлен, не происходит.
Такие проводники, в каких прохождение электронного тока не сопровождается хим переменами их вещества, именуются проводниками первого рода. К ним относятся все металлы, уголь и ряд других веществ.
Но есть в природе и такие проводники электронного тока, в каких во время прохождения тока происходят хим явления. Эти проводники именуются проводниками второго рода. К ним относятся приемущественно разные смеси в воде кислот, солей и щелочей.
Если в стеклянный сосуд налить воды и прибавить в нее несколько капель серной кислоты (либо какой-нибудь другой кислоты либо щелочи), а потом взять две железные пластинки и присоединить к ним проводники опустив эти пластинки в сосуд, а к другим концам проводников подключить источник тока через выключатель и амперметр, то произойдет выделение газа из раствора, при этом оно будет длиться безпрерывно, пока замкнута цепь т.к. подкисленная вода вправду является проводником. Не считая того, пластинки начнут покрываться пузырьками газа. Потом эти пузырьки будут отрываться от пластинок и выходить наружу.
При прохождении по раствору электронного тока происходят хим конфигурации, в итоге которых выделяется газ.
Проводники второго рода именуются электролитами, а явление, происходящее в электролите при прохождении через него электронного тока, — электролизом.
Железные пластинки, опущенные в электролит, именуются электродами; одна из их, соединенная с положительным полюсом источника тока, именуется анодом, а другая, соединенная с отрицательным полюсом,— катодом.
Чем все-таки обусловливается прохождение электронного тока в водянистом проводнике? Оказывается, в таких смесях (электролитах) молекулы кислоты (щелочи, соли) под действием растворителя (в этом случае воды) распадаются на две составные части, при этом одна частичка молекулы имеет положительный электронный заряд, а другая отрицательный.
Частички молекулы, владеющие электронным зарядом, именуются ионами. При растворении в воде кислоты, соли либо щелочи в растворе появляется огромное количество как положительных, так и отрицательно заряженных ионов.
Сейчас должно стать понятным, почему через раствор прошел электронный ток, ведь меж электродами, соединенными с источником тока, сотворена разность потенциалов, по другому говоря, какой-то из них оказался заряженным положительно, а другой негативно. Под действием этой разности потенциалов положительные ионы начали перемешаться по направлению к отрицательному электроду — катоду, а отрицательные ионы — к аноду.
Таким макаром, хаотическое движение ионов стало упорядоченным встречным движением отрицательно заряженных ионов в одну сторону и положительных в другую. Этот процесс переноса зарядов и составляет течение электронного тока через электролит и происходит до того времени, пока имеется разность потенциалов на электродах. С исчезновением разности потенциалов прекращается ток через электролит, нарушается упорядоченное движение ионов, и вновь наступает хаотическое движение.
В качестве примера разглядим явление электролиза при пропускании электронного тока через раствор медного купороса CuSO4 с опущенными в него медными электродами.
Явление электролиза при прохождении тока через раствор медного купороса: С — сосуд с электролитом, Б — источник тока, В — выключатель
Тут также будет встречное движение ионов к электродам. Положительным ионом будет ион меди (Си), а отрицательным — ион кислотного остатка (SO4). Ионы меди при соприкосновении с катодом будут разряжаться (присоединяя к для себя недостающие электроны), т. е. преобразовываться в нейтральные молекулы незапятанной меди, и в виде тончайшего (молекулярного) слоя отлагаться на катоде.
Отрицательные ионы, достигнув анода, также разряжаются (отдают лишние электроны). Но при всем этом они вступают в хим реакцию с медью анода, в итоге чего к кислотному остатку SO4 присоединяется молекула меди Сu и появляется молекула медного купороса СuSО4, возвращаемая назад электролиту.
Потому что этот хим процесс протекает долгое время, то на катоде отлагается медь, выделяющаяся из электролита. При всем этом электролит заместо ушедших на катод молекул меди получает новые молекулы меди за счет растворения второго электрода — анода.
Тот же самый процесс происходит, если заместо медных взяты цинковые электроды, а электролитом служит раствор цинкового купороса ZnSO4. Цинк также будет переноситься с анода на катод.
Таким макаром, разница меж электронным током в металлах и водянистых проводниках состоит в том, что в металлах переносчиками зарядов являются только свободные электроны, т. е. отрицательные заряды, тогда как в электролитах электричество переносится разноименно заряженными частичками вещества — ионами, двигающимися в обратных направлениях. Потому молвят, что электролиты владеют ионном проводимостью.
Явление электролиза было открыто в 1837 г. Б. С. Якоби, который создавал бессчетные опыты по исследованию и усовершенствованию хим источников тока. Якоби установил, что один из электродов, помещенных в раствор медного купороса, при прохождении через него электронного тока покрывается медью.
Это явление, нареченное гальванопластикой, находит на данный момент очень огромное практическое применение. Одним из примеров тому может служить покрытие железных предметов узким слоем других металлов, т. е. никелирование, золочение, серебрение и т. д.
Электронный ток в газах
Газы (в том числе и воздух) в обыденных критериях не проводят электронный ток. К примеру, нагие провода воздушных линий, будучи подвешены параллельно друг дружке, оказываются изолированными один от другого слоем воздуха.
Но под воздействием высочайшей температуры, большой разности потенциалов и других обстоятельств газы, подобно водянистым проводникам, ионизируются, т. е. в их возникают в большенном количестве частички молекул газа, которые, являясь переносчиками электричества, содействуют прохождению через газ электронного тока.
Но совместно с тем ионизация газа отличается от ионизации водянистого проводника. Если в воды происходит распад молекулы на две заряженные части, то в газах под действием ионизации от каждой молекулы всегда отделяются электроны и остается ион в виде положительно заряженной части молекулы.
Стоит только закончить ионизацию газа, как он закончит быть проводящим, тогда как жидкость всегда остается проводником электронного тока. Как следует, проводимость газа — явление временное, зависящее от деяния наружных обстоятельств.
Но есть и другой вид разряда, именуемый дуговым разрядом либо просто электронной дугой. Явление электронной дуги было открыто сначала 19-го столетия первым русским электротехником В. В. Петровым.
В. В. Петров, проделывая бессчетные опыты, нашел, что меж 2-мя древесными углями, соединенными с источником тока, появляется непрерывный электронный разряд через воздух, сопровождаемый броским светом. В собственных трудах В. В. Петров писал, что при всем этом «черный покой довольно ярко освещен может быть». Так в первый раз был получен электронный свет, фактически применил который очередной российский ученый-электротехник Павел Николаевич Яблочков.
«Свеча Яблочкова», работа которой базирована на использовании электронной дуги, сделала в те времена реальный переворот в электротехнике.
Дуговой разряд применяется как источник света и в наши деньки, к примеру в прожекторах и проекционных аппаратах. Высочайшая температура дугового разряда позволяет использовать его для устройства дуговой печи. В текущее время дуговые печи, питаемые током очень большой силы, используются в ряде областей индустрии: для выплавки стали, чугуна, ферросплавов, бронзы и т.д. А в 1882 году Н. Н. Бенардосом дуговой разряд в первый раз был применен для резки и сварки металла.
В газосветных трубках, лампах дневного света, стабилизаторах напряжения, для получения электрических и ионных пучков употребляется так именуемый тлеющий газовый разряд.
Искровой разряд применяется для измерения огромных разностей потенциалов при помощи шарового разрядника, электродами которого служат два железных шара с полированной поверхностью. Шары раздвигают, и на их подается измеряемая разность потенциалов. Потом шары сближают до того времени, пока меж ними не перескочит искра. Зная поперечник шаров, расстояние меж ними, давление, температуру и влажность воздуха, находят разность потенциалов меж шарами по особым таблицам. Этим способом можно определять с точностью до нескольких процентов разности потенциалов порядка 10-ов тыщ вольт.
Это пока все. Ну а если Вы желаете выяснить больше, то рекомендую направить внимание на диск Миши Ванюшина:
«Про электричество для начинающих в видео формате на DVD-диске»
Электрический ток в металлах
При прохождении тока металлы нагреваются. В результате чего ионы кристаллической решетки начинают колебаться с большей амплитудой вблизи положений равновесия. В результате этого поток электронов чаще соударяется с кристаллической решеткой, а следовательно возрастает сопротивление их движению. При увеличении температуры растет сопротивление проводника.
Каждое вещество характеризуется собственным температурным коэффициентом сопротивления — табличная величина. Существуют специальные сплавы, сопротивление которых практически не изменяется при нагревании, например манганин и константан.
Явление сверхпроводимости.
При температурах близких к абсолютному нулю (-2730C) удельное сопротивление проводника скачком падает до нуля. Сверхпроводимость — микроскопический квантовый эффект.
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТВЕРДЫХ ТЕЛ
Все материалы в той или иной степени проводят электрический ток, т.е. имеют электропроводность. По этому признаку материалы подразделяются на проводники, полупроводники, диэлектрики.
Способность и возможность материала проводить электрический ток главным образом обусловлена: типом химической связи; шириной запрещенной зоны; видом свободных носителей заряда, их концентрацией и подвижностью.
Основными параметрами, характеризующими электрические свойства, являются: удельная электропроводность g(Ом-1 · м-1 ); удельное электросопротивление ρ (Ом · м); температурный коэффициент удельного электросопротивления aρ , или ТКС (К-1).
Удельная электропроводность
gсвязывает плотность тока
j
(А/м2) и напряженность электрического поля
Е
(В/м), вызывающего этот ток, соотношением
j
= g
E
(дифференциальная форма закона Ома).
Удельное электросопротивление —
величина, обратная удельной электропроводности: ρ = 1/g.
Для тела с постоянным поперечным сечением S,
сопротивлением
R
и длиной
l
ρ определяется по формуле
ρ = RS/l.
Согласно теории электропроводности, gможет быть выражена следующей формулой:
g = q2nl/(mv
),
где q
и
т —
соответственно заряд и масса носителя заряда (электрона в проводниках, электрона и дырки в полупроводниках, иона в диэлектриках);
v
и l— скорость и длина свободного пробега носителя заряда;
п —
концентрация носителей заряда, т.е. их количество в единице объема.
Изменение удельной электропроводности, а следовательно, и удельного электросопротивления в реальных материалах связано с изменением концентрации и длины свободного пробега носителей заряда.
Под действием электрического поля носители заряда приобретают ускорение, а их скорость пропорциональна напряженности поля:
v
=
иЕ,
где и
(м2 /В·с) — подвижность носителей заряда — отношение скорости их направленного движения, вызванного электрическим полем, к напряженности этого поля. Она определяется выражением
и
=
ql/(mv),
откуда
g = qnu.
Величина электропроводности сильно зависит от рассеяния носителей на несовершенствах кристаллической решетки — структурных дефектах и фононах. В результате рассеяния уменьшаются длина свободного пробега, скорость и подвижность носителей заряда.
Электроны в изолированном атоме имеют строго определенные дискретные значения энергии. В твердом теле из-за сближения атомов и сильного взаимодействия электронов и ядер происходит расщепление энергетических уровней атомов и объединение их в энергетические зоны
(рис. 4.1).
Энергетическая зона, образовавшаяся при расщеплении уровней валентных электронов, называется валентной зоной (Еv).
Следующая за ней зона разрешенных энергий —
зона проводимости (Ec).
Между ними расположена
запрещенная зона (Eg).
Если электрон получает энергию, превышающую ширину запрещенной зоны, то он переходит из валентной зоны в зону проводимости и участвует в электропроводности.
В соответствии с зонной теорией твердые тела подразделяются на проводники, полупроводники и диэлектрики.
Проводники
— материалы, у которых валентная зона и зона проводимости перекрываются или примыкают друг к другу, поэтому электроны в металле свободны, т.е. могут переходить из валентной зоны в зону проводимости при приложении незначительной напряженности электрического поля. Атомы в металлах связаны друг с другом
металлической связью.
Валентные электроны имеют высокую подвижность и из-за перекрытия
Еv
, и
Ес
легко перемещаются в решетке металлического кристалла.
В металлах наблюдается электронный тип
электропроводности. При этом ускоренные полем электроны переносят только заряд. Переноса массы, как, например, в материалах, имеющих ионный тип электропроводности, не происходит.
Рис. 4.1. Энергетические зоны в твердом теле
Диапазон значений ρ металлических проводников занимает три порядка: от 1,58·10-8 Ом·м у серебра до 1000·10-8 Ом·м у сплавов системы Fe—Cr—A1.
Полупроводники
по электрическим свойствам занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками: их удельное электросопротивление составляет 10-6 —109 Ом·м, ширина запрещенной зоны — от 0,05 до 2,5—3 эВ (энергия теплового движения при комнатной температуре
kT
~ 0,03 эВ). Атомы в полупроводниках могут быть связаны как ковалентной неполярной и полярной, а также ионной связью; тип электропроводности —
электронно-дырочный.
Так же как и диэлектрики, полупроводники имеют отрицательный температурный коэффициент сопротивления (ТКС) aρ, т.е. с ростом температуры ρ полупроводников уменьшается, тогда как ρ металлов увеличивается.
Важной особенностью полупроводников является высокая чувствительность удельного электросопротивления не только к тепловым, но и к другим внешним воздействиям (электромагнитным полям, излучению, давлению и т. д.). Это обусловлено типом химической связи между атомами в кристаллической решетке полупроводника, а также наличием примесей и других дефектов, даже ничтожные концентрации которых существенно влияют на концентрацию свободных носителей заряда и, следовательно, на электрические свойства материала.
В промышленности применяются полупроводники, имеющие и электронный и дырочный
типы электропроводности.
У диэлектриков
ширина запрещенной зоны превышает 3 эВ, удельное электросопротивление составляет 109—1016 Ом·м. Так же как и в полупроводниках, в диэлектриках может осуществляться ковалентный тип связи. Особенностью электропроводности твердых диэлектриков является в большинстве случаев ее ионный характер. Так как
Eg >> kT,
лишь очень незначительное количество электронов может оторваться от своих атомов под действием тепловой энергии, и их вклад в электропроводность пренебрежимо мал.
Ионная электропроводность
может быть обусловлена передвижением как ионов примесей, так и ионов самого диэлектрика.
Следует отметить, что электронный тип проводимости может быть ощутимым в том случае, если в запрещенной зоне вблизи дна зоны проводимости и потолка валентной зоны образуется большое число соответственно донорных и акцепторных уровней. Появление таких уровней может быть вызвано наличием примеси и дефектов кристаллической решетки.
Электронная электропроводность, обусловленная наличием свободных электронов, проявляется в сильных электрических полях и приводит к пробою изоляции. При электронной электропроводности переноса вещества не происходит, в то время как при ионной это явление наблюдается.
Электрический ток в газах
Газы в естественном состоянии не проводят электричества (являются диэлектриками), так как состоят из электрически нейтральных атомов и молекул. Проводником может стать ионизированный газ, содержащий электроны, положительные и отрицательные ионы.
Ионизация может возникать под действием высоких температур, различных излучений (ультрафиолетового, рентгеновского, радиоактивного), космических лучей, столкновения частиц между собой.
Ионизированное состояние газа получило название плазмы
. В масштабах Вселенной плазма — наиболее распространенное агрегатное состояние вещества. Из нее состоят Солнце, звезды, верхние слои атмосферы.
Прохождение электрического тока через газ называется газовым разрядом
.
В «рекламной» неоновой трубке протекает тлеющий разряд
. Светящийся газ представляет собой «живую плазму».
Между электродами сварочного аппарата возникает
дуговой разряд
.
Дуговой разряд горит в ртутных лампах — очень ярких источниках света.
Искровой разряд
наблюдаем в молниях. Здесь напряженность электрического поля достигает пробивного значения. Сила тока около 10 МА!
Для
коронного разряда
характерно свечение газа, образуя «корону», окружающую электрод. Коронный разряд — основной источник потерь энергии высоковольтных линий электропередачи.
Опорный конспект по физике. Электрический ток в различных средах. (10 класс)
Опорный конспект к уроку физики в 10 классе.
Электрический ток в различных средах.
Электрический ток в металлах.
Электрический ток в металлах – это упорядоченное движение электронов.
На катушку наматывают проволоку, концы которой припаивают к изолированным друг от друга дискам. К концам дисков при помощи скользящих контактов присоединяют гальванометр и приводят катушку в быстрое движение, а затем резко останавливают. После остановки свободные заряженные частицы некоторое время движутся относительно проводника по инерции, в катушке возникает ток. Ток существует незначительное время, т.к. движению частиц препятствует сопротивление проводника.
Переносимый при этом заряд пропорционален отношению заряда частиц к их массе.
Различные вещества имеют различное удельное сопротивление. С изменением температуры сопротивление проводника меняется.
Сопротивление увеличивается, температура увеличивается, Сила тока уменьшается.
Сопротивление проводника с учетом его температуры:
Подчиняется закону Ома для участка цепи.
Электрический ток в полупроводниках.
Полупроводник – это вещество, у которого удельное сопротивление с увеличением температуры резко уменьшается.
При температурах близких к нулю, удельное сопротивление очень велико. С повышением температуры удельное сопротивление уменьшается и ведет себя как диэлектрик
При нагревании кремния кинетическая энергия частиц повышается и наступает разрыв отдельных связей. Некоторые электроны освобождаются и образуются «дырки».
Примесная проводимость в полупроводниках.
Проводимость проводников при наличии примесей называется примесной проводимостью. Различают два типа примесной проводимости – электронную и дырочную.
Если примесь имеет валентность большую чем чистый проводник, то появляются свободные электроны.
Проводимость электронная, примесь в этом случае донорная, полупроводник является полупроводником n- типа.
Если примесь имеет валентность меньшую чем чистый полупроводник, то появляются разрывы связей – дырки.
Проводимость дырочная, примесь акцепторная, полупроводник является полупроводником р- типа.
В большинстве полупроводниковых приборов используются полупроводники р- и n- типов.
Свойство р и n – перехода используют для выпрямления переменного электрического тока в полупроводниковых диодах.
Электрический ток в электролитах.
При растворении электролитов под влиянием электрического поля полярных молекул воды происходит распад молекул электролита на ионы.
Если сосуд с раствором электролита включить в электрическую цепь, то отрицательные ионы начнут двигаться в положительному электроду – аноду, а положительные ионы к отрицательному катоду.
Электрический ток в электролитах – это упорядоченное движение положительных и отрицательных ионов, которые образуются в результате электролитической диссоциации.
Электролиз – процесс выделения чистого вещества на электроде в результате окислительной реакции.
Масса выделившегося вещества определяется по закону Фарадея:
Электрический ток в вакууме.
Ток в вакууме не может существовать самостоятельно, т.к. вакуум является диэлектриком. В этом случае ток можно создать с помощью термоэлектронной эмиссии.
Термоэлектронная эмиссия – явление при котором, электроны выходят из металлов при нагревании. Такие электроны называют термоэлектронами.
Электрический ток в газах.
Электрический ток в газах – это упорядоченное движение положительных и отрицательных ионов и электронов, которые образуются в результате действия ионизатора.
Процесс протекания электрического тока через газ называют газовым разрядом.
Электрический ток в вакууме
А возможно ли распространение электрического тока в вакууме (от лат. vacuum — пустота)? Поскольку в вакууме нет свободных носителей зарядов, то он является идеальным диэлектриком. Появление ионов привело бы к исчезновению вакуума и получению ионизированного газа. Но вот появление свободных электронов обеспечит протекание тока через вакуум. Как получить в вакууме свободные электроны? С помощью явления термоэлектронной эмиссии
— испускания веществом электронов при нагревании.
Вакуумный диод, триод, электронно-лучевая трубка (в старых телевизорах) — приборы, работа которых основана на явлении термоэлектронной эмиссии. Основной принцип действия: наличие тугоплавкого материала, через который протекает ток — катод
, холодный электрод, собирающий термоэлектроны —
анод
.
Общие выводы
Таким образом, рассматривая тему как распространяется электрический ток в разных средах, можно отметить: в газах упорядоченное движение начинается под воздействием электрического поля.
Электрический ток в различных средах – растворы и расплавы электролитов. Многие электролиты в обычном своем состоянии являются диэлектриками. Но после растворения их в воде, эти вещества становятся проводниками. Данный процесс получил название электролитической диссоциации. Электрический ток в разных средах раствором протекает под воздействием внешнего электрополя. При этом одни ионы движутся к катоду, а другие – к аноду.
Жидкость и газ эффективные проводники
Всем известно, что дистиллированная вода не является проводником. Однако, если опустить в нее хотя-бы один кристалл обычной соли, произойдет замыкание цепи. Это вызвано появлением в воде свободных носителей зарядов. Происходит явление электролитической диссоциации, когда молекулы распадаются на ионы под воздействием растворителя. Такие жидкие проводники, где содержатся подвижные носители зарядов, называются электролитами.
Газы в обычном состоянии, как и дистиллированная вода, также являются диэлектриками, поскольку содержат нейтральные молекулы и атомы. Все эти частицы не имеют зарядов и придают газам высокие изолирующие свойства. Для того, чтобы газ стал проводником, в нем необходимо присутствие заряженных частиц в виде свободных носителей зарядов.
Как правило, проводниками являются ионизированные газы с положительными и отрицательными ионами. Проводимость в газах может быть создана самостоятельно, или путем искусственного внесения в них заряженных частиц.
