Электрический ток: законы и проводимость

Сегодня: воскресенье, 15 декабря 2024 г.
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК
16-22
октября
тестирование
электростатике, постоянный ток
по
Сегодня: воскресенье, 15 декабря 2024 г.
Лекция
Тема: ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК
Содержание лекции:
1. Законы электрического тока
2. Сторонние электродвижущие силы
3. Классическое представление об
электропроводности металлов
3.1. Экспериментальные данные
3.2. Вывод законов Ома и Джоуля – Ленца в
классической теории электронной проводимости
металлов
3.3. Сверхпроводимость
4. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В
ГАЗАХ
4.1. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК ГАЗАХ
4.1.1. Несамостоятельный газовый разряд.
4.1.2. Самостоятельный газовый разряд. Закон
Пáшена
4.2.3. Тлеющий разряд
4.2.4. Искровой разряд. Молния
4.2.5. Коронный разряд
продолжение на следующем слайде…
5. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ЭЛЕКТРОЛИТАХ
И ВАКУУМЕ
5.1. Ток в электролитах. Электролиз. Законы
Фарадея
5.1.1. Гальванические элементы
5.1.2. Аккумуляторы
5.1.3. Топливный элемент
5.1. Плазма
6. Ток в вакууме. Термоэлектронная эмиссия
продолжение на следующем слайде…
Введение
Электрический ток - упорядоченное движение
электрически заряженных частиц.
Направление
тока
совпадает
с
движением
положительно заряженных частиц.
Электроны
проводимости
противоположном направлению тока.
движутся
в
Электрический
ток
направленное
движение
заряженных частиц.
проводимости
микроскопических
Конвекционный
ток

макроскопических заряженных тел,
заряженных капель жидкости.
движение
например,
Электрический тока в проводниках вызывает
нагревание проводников, химические реакции
создаёт электромагнитное поле.
В металлах положительные заряды (ядра атомов)
не перемещаются, они образуют кристаллическую
решетку.
Электроны проводимости свободно перемещаются
по проводнику.
При Е=0, электроны движутся хаотически, их
средняя скорость равна нулю.
При Е≠0 возникает электрический ток, средняя
скорость направленного движения электронов
u
 104 м/с,
много меньше скорости
теплового движения
v ~ 105 м/с
Ток в проводнике: количество заряда, проходящего
через сечение проводника в единицу времени:
dq
I
dt
Единица измерения тока ампер (А) (кулон в
секунду).
Плотность тока j равно количеству зарядов,
проходящих в единицу времени через единичную
площадку, перпендикулярную потоку:
j = u,
где u средняя скорость направленного движения
зарядов е в проводнике,
 = ne -плотность зарядов,
n  концентрация зарядов.
j в СИ: А/м2 или Кл/м2с.
Электрический ток
I = (j,Sn) = (j,S),
где n – единичный положительный вектор
нормали к поверхности S, S = Sn.
Если плотность тока в пределах поверхности S
меняется, то
I   j, d S 
1. Законы электрического тока
Закон электродинамики был открыт в 1826 г.
Омом.
Сила тока в проводнике пропорциональна разности
потенциалов 1  2 = U у начала и конца
проводника, делённая на его сопротивление R
1   2
I
R
R характеризует противодействие
электрическому току.
проводника
Наличие R в цепи приводит к
переходу
электрической энергии в тепловую - закон Джоуля– Ленца.
Электрон при столкновении с атомами теряет
энергию, приобретаемую от электрического поля.
Эта энергия переходит в хаотическое движение
атомов – тепло.
Пусть I - сила тока в проводнике. За время dt
через проводник пройдёт заряд dq = Idt из точки
с потенциалом 1 в точку с потенциалом 2.
При этом совершится работа
A = dq(1  2) = I(1  2)dt.
Работа, совершаемая в единицу времени, равна
тепловой мощности тока:
A
W=
= I(1  2) = IU.
dt
Полное количество тепла, выделяемого за время t
при постоянных I и R, равно
Q = I 2Rt
закон Джоуля- – Ленца.
В СИ сопротивление измеряется в омах, разность
потенциалов  в вольтах, сила тока  в амперах.
Технические применения теплового действия тока
многообразны: лампа накаливания, нагревательные
приборы, электросварка и т.п.
При последовательном соединении проводников
ток I в цепи одинаков, но количество выделяемого
тепла пропорционально сопротивлению проводника.
Нить лампочки накаливания, выполненная из
вольфрама и имеющая большое R, раскаляется,
медные провода, подводящие к ней ток, остаются
холодными.
2. Сторонние электродвижущие силы
Энергия, выделяющаяся в цепи тока, должна
непрерывно компенсироваться за счет иных видов
энергии, не электростатического происхождения :
механической (генераторы), химической (батареи),
тепловой (термоэлементы), световой (солнечные
батареи) и прочих источников сил.
Эти силы называются сторонними (по отношению
к электростатическому полю).
Сторонние силы обозначаются Fстор, а их
напряженность  сила, действующая на единичный
положительный заряд,  Естор.
Поле Естор потенциально и интеграл
2
 E стор dl
1
не зависит от прохождения пути интегрирования
через источник напряжения, в частности,
гальванический элемент.
Значение этого интеграла характеризует свойства
самого элемента и называется электродвижущей
силой элемента (ЭДС).
Это понятие было введено Омом.
ЭДС положительна, если путь 12 пересекает
источник тока от () к (+) (от катода к аноду), и
отрицательна в противоположном случае.
Электрические
цепи
содержат
комбинации
последовательно и параллельно включенных R .
Полное R цепи вычисляется по законам Кирхгофа.
Первый закон Кирхгофа: в любом узле цепи 
алгебраическая сумма токов равна нулю
 In  0
n
втекающие
и
вытекающие
противоположные знаки.
токи
имеют
Второй закон Кирхгофа: в любом замкнутом
контуре цепи алгебраическая сумма произведений
IR равна сумме сторонних ЭДС, приложенных к
этому контуру.
Законы Кирхгофа является следствием закона
сохранения энергии.
Обход контура цепи осуществляется по часовой
стрелке. Если направление обхода совпадает с
выбранным направлением тока, ток берется со
знаком «плюс».
ЭДС берется положительным, если при данном
обходе он пересекается от минуса к плюсу (от
катода к аноду).
Если k проводников соединены параллельно (рис)
То полный ток в цепи равен:
I
1   2
R

k
R
Сопротивление k параллельно
проводов определяется по формуле:
соединенных
1
1

R
k Rk
Для k проводников соединенных последовательно
можем записать
IR1 = a  1 + ε1,
IR2 = 2  1 + ε2,
----------------------Складывая эти равенства, получаем
IR = I(R1 + R2 + .... + Rk) = a  b +   k .
k
Полное сопротивление и ЭДС в цепи равны
сумме сопротивлений и сумме ЭДС источников
тока.
k  k
R = R1 + R2 + ... + Rk, ε =
,
3. Классическое представление об
электропроводности металлов.
3.1. Экспериментальные данные.
Решетка металлов состоит из :
положительно заряженных ионов, расположенных в
узлах решетки,
«свободных» электронов,
образующих особого
рода электронный газ.
В отсутствие внешнего электрического
электроны движутся хаотически.
поля
Ионы в металлах не участвуют в переносе
электричества.
Это
подтвердили опыты
Рикке, который
пропускал ток через три
цилиндра: медный,
алюминиевый и снова медный, соединенных в цепь
(рис.).
В местах соединений он не
обнаружил
проникновения
металлов друг в друга.
рис.
Прямое указание, что электроны являются
носителями заряда в металлах, дал следующий
опыт.
Стержень двигался со скоростью v, затем быстро
тормозился, а
носители заряда
продолжали
двигаться, в замкнутой цепи появлялся ток.
Баллистический гальванометр измерял полный
заряд q , прошедший в цепи.
Сила инерции при торможении, равная ma,
уравновешивается полем кулоновских сил еЕ.
vн  vк
1   2
F m
 eE  e
t
l
Здесь m, e  масса и заряд частиц носителей тока в
проводнике;
vн , vк  начальная и конечная скорости стержня;
l  длина проводника;
t  время торможения..
Согласно закону Ома
q
1  2 = IR =
R , Е = (1  2 )/l = q R/l t
t
где q  заряд, прошедший по цепи.
Из равенства:
vн
qR
m
e
t
lt
Был
определен
удельный
заряд
частицы,
ответственной за прохождение тока в металлах,
определяемый параметрами:l
e
vl

m qR
Удельный заряд (e/m) в пределах ошибок
измерений оказался равным удельному заряду
электрона 1,761011 Кл/кг.
Итак, с точки зрения
электроны в металлах
идеальный газ.
классической физики
представляют собой
Силы
отталкивания
между
электронами
компенсируются силами притяжения электронов к
положительным остовам кристаллической решетки.
3.2. Вывод законов Ома и Джоуля –
Ленца в классической теории
электронной проводимости металлов
Получим выражение для закона Ома и для
электропроводности металлов из предположения,
что электроны в металлах представляют собой
идеальный газ (теория Друде).
По определению плотность тока
j = enu.
Под действием поля Е электроны приобретают
скорость направленного движения u:
j I / S 
10 7 А/м 
3 м
u


 10
19
28
3
en
en
с
1,6  10
Кл  8,5  10 м
u=10-3, V (теплового движения) 105 м/с, поэтому
столкновения электронов с
ионами решетки
обусловлены тепловым движением электронов и
происходят через промежуток времени:
l

v
где l  длина свободного пробега электрона.
За время  электрон
направленного движения:
приобретает
скорость
F
e
E
u = a =

,
m
m
где a = F/m = eE/m  ускорение, сообщаемое
электрону силой F = eE.
Среднее значение скорости u
0  u 1 eE
u ср 


2
2 m
Подставив величину
плотности тока получим
uср
в
выражение
для
2
e nl
j
E
2mv
Плотность тока пропорциональна напряженности
поля, что соответствует закону Ома
j = E,
-величина электропроводности, равная
2
e nl

2mv
Металлы оказываются хорошими проводниками не
только электрического тока, но и тепла,
переносчиками тепла и электричества являются
свободные электроны.
Коэффициент теплопроводности для металлов, как
ранее было показано, равен
1
=
nvCV l,
3
где СV = (3/2)k  теплоемкость при постоянном
объеме.
Разделив  на , имеем:
2
 2
k
2 CV
 mv 2  3  T
 3
e
e
закон Видемана  Франца.
Отношение  к  пропорционально температуре
и не зависит от рода металла.
Закон установлен экспериментально Видеманом и
Францем, а теоретически обоснован Друде.
Более последовательный вывод закона Видемана –
Франца выполнен в рамках квантовой механики.
Классическая
теория
электропроводности
объясняет и закон Джоуля  Ленца - тепловое
действие тока.
При столкновении электрон передаёт
приобретенную энергия mu2/2, число
столкновений в единице объема равно n/,
полное тепловыделение в единице объема
2
2
mu n e nl 2 =Е2
w

E
2  2mv
атому
таких
Удельная
квадрату
мощность тока
электрического
w пропорциональна
поля и удельной
электропроводности .
Сопротивление однородного проводника
R = l/S,
где l и S – его длина и поперечное сечение;
  удельное сопротивление
проводника,
определяемое удельной электропроводностью
=1/.
Сопротивление химически чистых металлов с
повышением
температуры
возрастает
и
определяется по формуле:
R = R0(1 + t),
где R0 – сопротивление при 0 С и  –
температурный коэффициент сопротивления.
На основе зависимости = f(t) созданы приборы,
называемые термометром сопротивления, для
измерения температуры.
Разновидность термометров сопротивления –
болометры используются для измерения теплового
излучения.
Чувствительность болометров чрезвычайно велика:
они реагируют на поток энергии 108109 Вт.
Удельное сопротивление металлов зависит и от
механических воздействий.
При растяжении  металлов возрастает.
На основе этой зависимости созданы приборы,
тензометры
сопротивления,
для
измерения
деформаций
металлах.
и
механических
напряжений
в
3.3. Сверхпроводимость
Классическая
теория
электропроводности
столкнулась с принципиальными трудностями в
объяснении сверхпроводимости металлов.
В металлах электрон ведет себя как квантовый
объект.
Для описания поведения электронов в металлах
необходимо использовать уравнение Шрёдингера, а
не уравнение Ньютона.
Камерлинг-Оннес в 1911 г. впервые наблюдали
падение сопротивления ртути практически до нуля
при гелиевых температурах
Это явление было названо сверхпроводимостью.
Между открытием этого явления и его объяснением
прошло полвека.
В 1957 г. Бардин, Купер, Шрифер дали
квантово-механическое объяснение природы
сверхпроводимости (теория БКШ).
При температуре перехода в сверхпроводящее
состояние Тс – критической, между электронами
начинают
действовать
силы
притяжения,
обусловленные
обменом
фононами
между
электронами.
Фононы
–
кванты
кристаллической решетки.
упругих
колебаний
Это притяжение приводит к образованию связанных
электронных пар – куперовских пар.
Пары электронов не являются фермионами, для
них не действует принцип запрета Паули.
Спаренные электроны являются бозонами,
частицами с нулевым спином, они стремятся
сконденсироваться.
Образуется электрически заряженная, сверхтекучая
электронная жидкость, обладающая свойствами
сверхпроводимости.
Сверхпроводящее
состояние
является
макроскопическим квантовым состоянием металла.
4.2. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК ГАЗАХ
4.2.1. Несамостоятельный газовый
разряд.
Газы в нормальном состоянии электрически
нейтральны. Они состоят из незаряженных атомов,
молекул и не проводят электрический ток.
Ток проводят ионизованные газы,
(часть атомов потеряли внешние электроны и
превратилась в положительные ионы).
Электрический ток в газах называют газовым
разрядом.
Ионы в газах возникают при нагреве, под
действием света, излучения, электрических полей
(внешние ионизаторы).
Минимальная энергия, необходимая для удаления
из нейтрального атома
электрона, называется
энергией ионизации.
Энергия ионизации обычно выражается в эВ.
Пусть между двумя пластинами конденсатора
создано электрическое поле напряженностью Е.
Внешним ионизатором в единице объема в единицу
времени создается q пар ионов с концентрацией
ионов n+ и n обоих знаков.
Плотность электрического тока между пластинами
равна:
j = en+u+ + enu.
Рис. 3.9
Скорости направленного движения зарядов
u
пропорциональны напряженности электрического
поля:
u = bE,
где b - подвижность ионов.
Численно b равна скорости
движения
зарядов
в
поле
напряженности.
2
м
Размерность [b] =
Вс
направленного
единичной
И тогда плотность тока
j = en(b+ + b)E
- закон Ома для тока в газе при несамостоятельном
разряде.
В слабых электрических полях закон Ома хорошо
выполняется, j ~ E (кривая ОС, рис.).
C увеличением E все ионы будут достигать пластин
конденсатора.
Плотность тока достигает насыщения и далее не
зависит от Е (участок ВС).
рис.3.10
Если убрать внешний ионизатор, ток между
пластинами прекращается.
Такой разряд получил название
несамостоятельного газового разряда
(кривая ОС).
4.2.2. Самостоятельный газовый разряд.
Закон Пáшена
При дальнейшем увеличении
Е в газовом
промежутке вновь наблюдается увеличение тока
(рис.).
Несамостоятельный
разряд
переходит
в
самостоятельный
разряд (участок CD) и
называется электрическим пробоем газа.
Газовый разряд не прекращается при выключении
внешнего ионизатора.
Усиление тока связано с процессами ударной
ионизацией атомов и молекул газа.
В сильных электрических полях на длине
свободного пробега х электрон (ион) приобретает
энергию ехЕ, достаточную для ионизации атомов
при соударении:
ехЕ  Vi e,
где Vi – потенциал ионизации атома.
Среднее число ионизаций, производимых
единичном пути одним электроном, равно
1
 Vi 
  exp   
l
 lE 
где l – средняя длина свободного пробега;
на
Развитие процессов
ударной ионизации
затруднено при больших и малых давлениях.
При малых давлениях почти каждое столкновение
электрона с атомами сопровождается ионизацией,
но число таких столкновений мало и электронная
лавина не образуется.
При больших давлениях число столкновений
велико, но приобретаемая электронами энергия изза малой длины пробега не достаточна для
ионизации атомов .
Напряжение на пластинах конденсатора, равное
потенциалу зажигания самостоятельного газового
разряда Vпз, есть функция
Vпз = f(hP),
где h – расстояние между пластинами,
Р – давление газа.
Условие Vпз = hP – Закон Пашена.
Закон устанавливает, что наименьшее напряжение
зажигания самостоятельного газового разряда
между плоскими пластинами есть величина
постоянная для данного сорта газа.
4.23. Тлеющий разряд
Тлеющий разряд - один из разновидностей
самостоятельного электрического разряда в газах.
Тлеющий разряд возникает при низкой
температуре катода и низком давлении.
Он отличается:
малой плотностью тока на катоде (< 1 А/см2);
большим – сотни вольт падением потенциала
вблизи катода;
неоднородностью электрического поля между
катодом и анодом.
Если, например, взять стеклянную трубку длиной
 50 см с двумя впаянными электродами.
Приложить к ним напряжение порядка 300500 В,
то при атмосферном давлении ~ 105 Па пробой в
газе не возникает.
Если начать откачивать газовый промежуток, то
при
давлении
~
7103
Па
возникает
самостоятельный разряд в виде светящегося шнура
красного цвета.
При давлении (24)102 Па свечение заполнит
всю трубку.
При давлениях 101 Па разряд приобретает
определённую структуру, состоящую из темных и
светящихся
областей
с
неравномерным
распределением потенциала (рис.).
Рис. Внешний вид и распределение потенциала в тлеющем разряде: 1
–темное пространство; 2 –свечение (катодная пленка); 3 – катодное
темное пространство; 4 – катодное тлеющее свечение (отрицательное
свечение); 5 – фарадеево темное пространство; 6 – положительный
светящийся столб.
Непосредственно к катоду примыкает узкий
слой темного пространства – 1.
В этой области выбитые из катода электроны
еще не успели приобрести энергию, достаточную
для возбуждения атомов.
Затем идет тонкая светящаяся пленка 2 , энергия
электронов уже достаточна для возбуждения
свечения, но еще не достаточна для ионизации
атомов.
Далее следует темное катодное пространство 3.
В этой части разряда начинается ионизация атомов
и возникают лавины электронов. Но из-за
возможности ионизации уменьшается вероятность
возбуждения атомов, что приводит к ослаблению
свечения атомов.
Отрицательное тлеющее свечение 4 возникает изза рекомбинации электронов с положительными
ионами и излучательной релаксации возбужденных
атомов.
Фарадеево темное пространство 5, сюда не
долетают быстрые электроны электронных лавин.
В пределах фарадеева темного пространства
электроны набирают энергию, достаточную для
«термического» возбуждения и ионизации атомов.
Все пять областей называются катодными
частями разряда. В них происходят все процессы,
необходимые для поддержания разряда.
За фарадеевым темным пространством следует
ионизованный светящийся газ – положительный
светящийся столб - 6.
Свечение положительного столба обусловлено
рекомбинацией электронов с положительными
ионами.
Приборы с тлеющим разрядом используются в
ионных рентгеновских трубках, в счетной технике,
как источники света и т.д.
4.2.4. Искровой разряд. Молния
Искровой разряд – электрический разряд в газе,
он возникает при атмосферном давлении и высокой
разности потенциалов.
Искровой разряд представляет пучок ярких
зигзагообразных
разветвляющихся
полосок,
пронизывающих разрядный промежуток.
В
природных
условиях
наблюдается в виде молний.
искровой
разряд
Разность потенциалов между тучей и поверхностью
Земли достигает до 100 млн вольт, ток в канале
молнии  до сотен тысяч ампер.
Высокий потенциал зажигания искрового разряда
связан с большими давлениями газов.
Сухой воздух пробивается на расстоянии 1 см при
разности потенциалов 30 кВ.
рис. 3.11
При прохождения тока в канале искры выделяется
большое количество энергии (0,11) Дж на
сантиметр длины, и как следствие :
резко возрастают температура и давление в канале
с образованием ударной волны.
Ударные волны порождают звук, воспринимаемый
как треск искры, а в случае молнии – гром.
Искровой разряд развивается очень быстро, за
время 107 с и меньше.
Механизм его развития связан с возникновением
стримера – узких светящихся каналов в газе (рис.)
Зарождающаяся вблизи катода электронная лавина
ионизует и возбуждает молекулы газа.
Испускаемые при этом световые кванты ионизуют
газ и дают начало новым электронным лавинам.
рис. 3.12
Для повышения защиты реализуются различные
формы управления молнией, в частности, лазерное
инициирование молнии.
Лазерное инициирование основано на создании в
воздухе ионизованного канала с помощью
лазерного излучения.
4.2.5. Коронный разряд
Коронный разряд возникает при давлениях порядка
атмосферного
в
сильно
неоднородном
электрическом поле, например, вокруг проводов
высоковольтных электропередач.
Разряд сопровождается шелестящим шумом,
радиоизлучением, химическими реакциями,
образованием озона и окислов азота в воздухе.
рис.
При положительной короне электронные
лавины порождаются вокруг анода за счет
ионизации газа фотонами
В отрицательной короне положительные ионы
ускоренно движутся к катоду и выбивают
электроны,
которые
порождают
новые
электронные лавины.
4.2.6. Дуговой разряд
Дуговой разряд является квазистационарным
электрическим разрядом в газе.
Напряжение на разрядном промежутке низкое и
составляет десятки вольт, плотность тока на катоде
(102108 А/см2).
Впервые дуговой разряд был получен русским
физиком В.В. Петровым в 1802 г.
Работа Петрова осталась неизвестной западным
ученым и это явление было вновь открыто в 1808 г.
английским химиком Дэви и названо им вольтовой
дугой (рис.).
В месте соприкосновения
угольные электроды
сильно раскаляются
электрическим током,
после чего они
разводятся, возникает
яркая электрическая дуга.
рис.
Во время горения
расстояние между
электродами
составляет ~ 5 мм при
токе 1020 А и
напряжении между
ними 4050 В.
рис.
При горении дуги угольный катод заостряется, а
на аноде образуется углубление – кратер.
Анод разогревается до температуры 40007000 С,
катод до температуры кипения или возгонки
материала катода.
Дуговой разряд поддерживается главным образом
за счет термоэлектронной эмиссии электронов с
поверхности катода.
Дуговой разряд широко применяется в технике:
в электросварке в различных осветительных и
электронных приборах, в различных конструкциях
генераторов
плазмы,
в
плазмохимических
реакторах, ртутных выпрямителях, газоразрядных
источниках света и т.д.
5. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ЭЛЕКТРОЛИТАХ
И ВАКУУМЕ
5.1. Ток в электролитах. Электролиз.
Законы Фарадея
Вещества, проводящие ток и разлагающиеся при
этом, называются проводниками второго рода или
электролитами.
Процесс разделения веществ электрическим током
– электролизом.
К электролитам относятся растворы кислот,
щелочей и солей как в воде, так и в других
растворителях.
Носителями
тока
при
электролитической
проводимости являются ионы.
Расщепление
молекул на ионы производится под действием
растворителя – электролитическая диссоциация.
Напряженность электрического Е заставляет ионы
с отрицательным зарядом (анионы) передвигаться к
аноду, с положительным зарядом (катионы) – к
катоду.
Скорость движения ионов зависит от природы
ионов,
вязкости
окружающей
среды
и
напряженности поля.
На электродах ионы нейтрализуются:
анионы отдают аноду свои избыточные электроны,
которые переходят во внешнюю металлическую
цепь и движутся к катоду;
катионы
приобретают
электроны.
у
катода
недостающие
Рассмотрим электролиз хлорной меди CuCl2.
Анионы Cl– передают аноду избыточные электроны
и превращаются в незаряженные атомы хлора:
2Cl– = 2Cl + 2е–.
К катоду подходят катионы Cu2+, и электроны по
металлической цепи, ион Cu2+ получает два
недостающих электрона и превращается в
незаряженный атом:
Cu2+ + 2е– = Cu.
Нейтрализация ионов на поверхности электродов –
является необходимым звеном в прохождении тока
через гальваническую цепь.
В
противном
случае
в
электродах,
в
электролитическом растворе скапливались бы
заряды, противодействующие течению тока.
Прямым следствием процесса электролиза:
накопление у электродов продуктов химического
разложения электролита.
Количество
выделяющихся
веществ
при
электролизе на электродах определяется законами
Фарадея.
Первый закон Фарадея:
при электролизе за время t на электродах
выделяются
количества
вещества
m,
пропорциональные количеству электричества q,
прошедшего за это время: m = kq.
k - электрохимический эквивалент,
равный
количеству выделенного вещества на электроде при
прохождении через электролит заряда, равного
F = 96485 Кл.
F - универсальная константа единицы количества
электрического заряда и носит название - фарадей.
.
Второй закон Фарадея:
при прохождении тока последовательно через
несколько электролитов количество выделенного
вещества за
время t в разных электролитах
пропорционально химическому эквиваленту этих
веществ.
Химический эквивалент равен M/z,
где М – атомный или молекулярный вес ионов,
z – валентность иона.
Электрохимический
эквивалент
химическим эквивалентом
1M
k
F z
связан
с
Соединяя оба закона Фарадея:
количества выделяющего веществ при электролизе
на электродах равно:
M
m
q
zF
M
m
it
zF
В
случае
нейтрализации
на
электродах
одновалентных ионов
при прохождении через
электролит заряда в 1 фарадей на
электродах
выделяется 1 моль вещества.
Концентрацию растворов принято измерять числом
химических эквивалентов, содержащихся в 1 л.
Раствор, содержащий 1 химический эквивалент в
литре,
называют
нормальным
раствором
электролита.
Если в литре раствора содержится
0,01
химического эквивалента, то говорят, что
концентрация раствора равна 0,01 нормального (это
кратко обозначают так: 0,01N).
Энергия источника тока при электролизе
тратится:
на перемещение ионов в электролите;
на разрядку ионов на электродах.
Затраченная энергия на перемещение ионов
превращается в тепло, а на разрядку ионов  в
химическую энергию полученных при электролизе
продуктов.
Электролиз соли начинается с определенного
напряжения, потенциала разложения;
если напряжение ниже, ток через раствор
не протекает
Для
быстрого
протекания
электролиза
напряжение должно значительно превышать
потенциал разложения, при этом избыточная
электроэнергия обращается в тепло.
Электролиз при напряжении, вдвое превышающем
потенциал разложения:
50% энергии идёт на химическую работу,
50% превращается в тепло.
При электролизе главную роль играют явления,
происходящие на поверхности электродов.
Ионы не способны проникнуть в металл, как и
электроны перейти в раствор.
Движение тех и других останавливается
поверхности электрода, здесь происходит
взаимная нейтрализация.
на
их
Электролиз
имеет
широкое
применение:
Гальванотехническое оцинкование, никелирование,
хромирование изделий из железа, многих деталей в
машиностроении.
Медные
покрытия
и
никелевые
используют
в
гальванотехнические
типографском
серебряные и золотые – в ювелирном и т.д.
деле,
5.1.1. Гальванические элементы.
При
погружении металла в электролит
наблюдается их взаимная электризация,
между ними
возникает контактная разность
потенциалов: металл заряжается отрицательно,
жидкость – положительно.
Это
объясняется
способностью
переходить в раствор в виде ионов
электролитической
упругостью
металлов.
металлов
–
растворения
Электроны атомов металла остаются в исходном
металле и сообщают ему отрицательный заряд:
Zn

Zn2+
(переходит в раствор)
+
2e
(остаются в металле)
Вдоль поверхности металлической пластинки
образуется двойной электрический слой из
электронов и ионов.
Металл и раствор
полуэлемент.
представляют
собой
Наличие разности потенциалов в «полуэлементе»
не обеспечивает электрического тока, заряды в нём
находится в состоянии равновесия.
Рассмотрим два полуэлемента: медь в растворе
медного купороса и цинк в растворе цинкового
купороса, они разделены пористой перегородкой.
Цинк имеет бóльшую упругость растворения, чем
медь.
Цинковая пластинка приобретает более сильный
отрицательный заряд, чем медная.
Соединим цинковую и медную
металлической проволокой (рис.).
пластинки
Избыточные электроны с цинковой пластинки
переместятся по проволоке на медную.
В результате нарушается равновесие в двойном слое
цинковой пластинки; часть
ионов цинка
устремится в раствор.
Нарушается равновесие и в двойном слое медной
пластинки за счет электронов, прибывших из цинка.
Часть ионов меди из раствора соединяются с
избыточными электронами и осаждаются на
пластинку уже в виде атомов.
Электрический ток будет продолжаться до тех
пор, пока не растворится весь цинк или не
израсходуются все ионы меди.
Одновременно с движением электронов по
проволоке в растворе через пористую перегородку
движутся ионы металла.
От цинкового электрода к медному,
электрода к цинковому.
от медного
Цинк превращается в сульфат цинка, а медь
осаждается из раствора сульфата меди:
Zn + CuSO4 = Cu + ZnSO4
Напряжение
на
полюсах
разомкнутого
гальванического элемента ( ЭДС) не зависит от его
геометрических размеров
Напряжение определяется химической природой
электродов,
электролитических растворов и
концентрацией
растворов
и
находится
на уровне  1,1 В.
4.1.2. Аккумуляторы
Электрический ток в гальваническом элементе
будет продолжаться до тех пор, пока не
растворятся электроды.
Аккумуляторы – те же гальванические элементы,
но в них электроды и электролиты подобраны с
таким расчетом, чтобы легко достигалась
обратимость.
Схема действия
гальванического элемента и
аккумулятора показана на рис.
Рис.
Стрелки указывают направления движений электронов
Ток
через
гальванический элемент
восстанавливает химические вещества, которые
обеспечивают действие элемента (зарядка элемента).
На этом основано действие аккумуляторов.
Аккумуляторы
можно
(восстанавливать) током.
вновь
заряжать
Наибольшее распространение
(кислотные) аккумуляторы.
имели свинцовые
Свинцовый аккумулятор в незаряженном виде
состоит из свинцовых пластин в виде решеток;
отверстия замазывают тестом из окиси свинца PbO
и воды.
Для «формовки» электродов их погружают в
раствор серной кислоты и пропускают ток.
Окись свинца превращается в недоокисную соль
серной
кислоты
Pb2SO4
(являющуюся
неустойчивым соединением).
При
зарядке
аккумулятора
присоединяют к противоположным
источника тока, происходит электролиз.
пластины
полюсам
На катоде Pb2SO4 водородом восстанавливается в
губчатый металлический свинец,
на аноде Pb2SO4 кислородом превращается в
пористый слой перекиси свинца Pb2O5.
При разрядке аккумулятора все
происходят в обратном направлении.
процессы
Затраченная при зарядке энергия возвращается в
виде электрического тока.
Эти процессы можно представить следующей
формулой:
Pb2SO4 + Н2 + 2PbO2
зарядка
разрядка
Pb2 + H2SO4 + Pb2O5
При разрядке аккумулятора концентрация серной
кислоты понижается.
Степень разрядки контролируется по удельному
весу раствора серной кислоты в аккумуляторе.
Свинцовые аккумуляторы обеспечивают ~ 20 А-ч
на каждый килограмм веса аккумулятора,
это соответствует запасу электроэнергии на каждый
килограмм веса аккумулятора
~ 3540
Вт-ч.
5.1.3. Топливный элемент
Топливной элемент

устройство прямого
преобразования
химической
энергии
в
электрическую.
Топливные элементы имеют два важных отличия
от аккумуляторов:
1) они функционируют до тех пор, пока топливо и
окислитель поступают из внешнего источника;
2) химический состав электролита в процессе
работы не изменяется, т.е. топливный элемент не
нуждается в перезарядке.
Процессы
топливном элементе по своей
природе является обратным процессу электролиза.
Топливный элемент состоит:
из двух электродов и электролита;
систем подвода топлива (водорода) на один электрод
и окислителя (О2) на другой;
системы для удаления продуктов реакции;
катализаторов - для ускорения химической реакции.
Потребители электроэнергии включаются во
внешнею электрическую цепь элемента (Рис.).
Рис.
В топливном элементе с кислым электролитом
водород подается через полый анод.
На аноде происходит разложение молекул водорода
на атомы.
Атомы Н в результате хемосорбции отдают свои
электроны и превращаются в положительно
заряженные ионы.
Этот процесс
описывается следующими
уравнениями:
2Н2  4Н
4Н  4Н+ +4е
Ионы водорода диффундируют через электролит к
катоду, электроны – во внешнею цепь.
Подаваемый кислород на катод переходит в
электролит.
При соединении О2 с ионами водорода
и
электронами, поступающими из внешней цепи,
образуется вода:
О2 +4Н+ + 4е  2Н2О
Поток электронов и ионов водорода поддерживает
баланс заряда и вещества в электролите.
Поток электронов во внешней цепи представляет
собой постоянный ток.
Реакции в топливных элементах обеспечивают
ЭДС около 1 В.
Размыкание цепи или прекращение движения
ионов останавливает работу топливного элемента.
В описанном элементе водород и кислород
переходят в электролит через микропористые
углеродные или металлические электроды.
Высокая плотность тока достигается в элементах,
работающих при повышенной температуре (около
250 °С) и высоком давлении.
Элементы
с ионообменными мембранами,
способные работать на водороде и кислороде при
нормальных температуре и давлении (рис.).
В этих элементах вместо жидкого электролита
между электродами располагается полимерная
мембрана, через неё свободно проходят ионы (рис.).
В таких элементах
используется воздух.
наряду
с
кислородом
Образующаяся при работе вода не растворяет
электролит и может быть легко удалена.
Рис
5.3. Плазма
При сильном нагревании
испаряется, превращаясь в газ.
любое
вещество
Дальнейшее увеличение температуры приводит к
термической ионизации – распаду молекул и
атомов на электроны и положительно заряженные
ионы.
Свободные заряженные частицы, особенно
электроны, легко перемещаются под действием
электрического поля.
В состоянии равновесия заряды компенсируют
друг друга, полное поле внутри газа равно нулю.
Образуется плазма.
Термин «плазма»
введен американскими
учеными И. Ленгмюром и Л. Тонксом в 1929 г.
Плазма – частично или полностью ионизованный
газ, плотности положительного и отрицательного
зарядов практически одинаковы.
Низкотемпературная плазма, Тi  105 К,
высокотемпературная, Тi  106 К.
В высокотемпературной плазме
протекают
реакции синтеза ядер с большим выделением
энергии - будущий источник энергии на Земле.
He 32  He 32  He 24+ 2р + 12,85 МэВ
D2  T3  He42 + n + 17,6 МэВ
Для осуществления таких реакции необходимо
преодолеть кулоновский барьер отталкивания
между сближающимися ядрами.
Это возможно при температурах в десятки и сотни
миллионов градусов.
В состоянии плазмы находится подавляющая часть
вещества во Вселенной.
Исследования по физике плазмы значительно
интенсифицировались в связи с
проблемой
управляемого термоядерного синтеза.
Удерживать температуру плазмы в 1950 г. Тамм,
Сахаров предлагожили сильным магнитным полем
в тороидальной камере с магнитными катушками –
сокращенно  токамак (рис. ).
рис.
6. Ток в вакууме.
Термоэлектронная эмиссия
Носителями заряда в вакууме
являются
свободные заряженные частицы, испускаемые с
поверхности твердых тел.
Наиболее эффективно с поверхности нагретых
твердых тел испускаются электроны.
Разность между энергией электрона на уровне
Ферми F и энергией покоящегося электрона в
вакууме Е0 называется работой выхода А (рис.).
Число электронов с Е0  F ничтожно мало при
низких температурах Т ~ 300 К и экспоненциально
возрастает с повышением температуры.
Рис. Выход
электронов в
вакуум:
F – энергия
Ферми;
Е0 – уровень
вакуума;
А – работа выхода;
Екин – кинетическая
энергия электрона
в непрерывном
спектре свободных
состояний
Явление испускания электронов нагретыми
телами – эмиттерами  в вакуум или другую среду
называется термоэлектронной эмиссией.
При нагреве энергия теплового движения
электронов
становится
достаточной
для
преодоления сил кулоновского притяжения между
отрицательно
заряженным
электроном
и
положительно заряженной поверхностью при
удалении электронов.
Явление термоэлектронной эмиссии открыто в 1883
г. Эдисоном великим американским
изобретателем.
Это явление он наблюдал в вакуумной лампе с
двумя электродами – анодом и катодом.
Когда катод
отсутствовал.
был
холодный,
ток
в
цепи
С повышением температуры катода в цепи
появлялся электрический ток, ростом температуры
он возрастал.
При T=const катода ток в цепи
возрастает с
повышением разности потенциалов V между
катодом и анодом и выходит к некоторому
стационарному значению, называемому током
насыщения Iн (рис.).
рис.
При Iн все термоэлектроны,
катодом, достигают анода.
испускаемые
Зависимость плотности тока насыщения j от
температуры для вакуумного диода определяется
законом Ричардсона –Дэшмана:
 A
j  BT exp 

 kT 
2
где А- работа выхода, В- постоянная величина.
Плотность тока в зависимости от напряжения V
катод- анод :
j = cV 3/2
 закон «трех вторых» Ленгмюра.
Плотность тока насыщения тем больше, чем
меньше работа выхода.
В приборах применяются оксидные
обладающие малой работой выхода.
катоды,
Рабочая температура современных оксидных
катодов равна 800900 С, они обладают
плотностью эмиссионного тока ~ 1 А/см2.
Явление термоэлектронной эмиссии лежит в
основе работы термоэлектронных катодов, которые
применяются во многих электровакуумных и
газоразрядных приборах, а также в некоторых
электронных приборах.
Лекция окончена
Нажмите клавишу <ESC> для выхода
4. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ЭЛЕКТРОЛИТАХ
ГАЗАХ И ВАКУУМЕ
4.1. Ток в электролитах. Электролиз. Законы
Фарадея
4.1.1. Гальванические элементы
4.1.2. Аккумуляторы
4.1.3. Топливный элемент
4.2. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК ГАЗАХ
4.2.1. Несамостоятельный газовый разряд.
4.2.2. Самостоятельный газовый разряд. Закон
Пáшена
4.2.3. Тлеющий разряд
4.2.4. Искровой разряд. Молния
4.2.5. Коронный разряд
продолжение на следующем слайде…
4. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В
ГАЗАХ И ВАКУУМЕ
4.1. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК ГАЗАХ
4.1. Несамостоятельный газовый разряд.
4.1.2. Самостоятельный газовый разряд. Закон
Пáшена
4.2.3. Тлеющий разряд
4.2.4. Искровой разряд. Молния
4.2.5. Коронный разряд
продолжение на следующем слайде…