Меню

Сообщение по теме электрический ток в различных средах



III. Основы электродинамики

Тестирование онлайн

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.

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 (-273 0 C) удельное сопротивление проводника скачком падает до нуля. Сверхпроводимость — микроскопический квантовый эффект.

Применение электрического тока в металлах

Лампа накаливания производит свет за счет электрического тока, протекающего по нити накала. Материал нити накала имеет высокую температуру плавления (например, вольфрам), так как она разогревается до температуры 2500 – 3250К. Нить помещена в стеклянную колбу с инертным газом.

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.

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.

Источник

Реферат: Электрический ток в различных средах

Презентация на тему: Электрический ток в различных средах

Выполнила Житина Карина

Ученица 8 а класса.

Электрический ток может протекать в пяти различных средах:

Электрический ток в металлах:

Электрический ток в металлах – это упорядоченное движение электронов под действием электрического поля. Опыты показывают, что при протекании тока по металлическому проводнику не происходит переноса вещества, следовательно, ионы металла не принимают участия в переносе электрического заряда.

Опыты Толмена и Стюарта являются доказательством того, что металлы обладают электронной проводимостью

— Катушка с большим числом витков тонкой проволоки приводилась в быстрое вращение вокруг своей оси. Концы катушки с помощью гибких проводов были присоединены к чувствительному баллистическому гальванометру Г . Раскрученная катушка резко тормозилась, и в цепи возникал кратковременных ток, обусловленный инерцией электронов.

Вывод:1.носителями заряда в металлах являются электроны;

— 2. процесс образования носителей заряда – обобществление валентных электронов;

— 3.сила тока прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению проводника – выполняется закон Ома;

— 4. техническое применение электрического тока в металлах: обмотки двигателей, трансформаторов, генераторов, проводка внутри зданий, сети электропередачи, силовые кабели.

Электрический ток в вакууме

Вакуум — сильно разреженный газ, в котором средняя длина свободного пробега частицы больше размера сосуда, то есть молекула пролетает от одной стенки сосуда до другой без соударения с другими молекулами. В результате в вакууме нет свободных носителей заряда, и электрический ток не возникает. Для создания носителей заряда в вакууме используют явление термоэлектронной эмиссии.

ТЕРМОЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ – это явление «испарения» электронов с поверхности нагретого металла.

— В вакуум вносят металлическую спираль, покрытую оксидом металла, нагревают её электрическим током (цепь накала) и с поверхности спирали испаряются электроны, движением которых можно управлять при помощи электрического поля.

На слайде показано включение двухэлектродной лампы

— Такая лампа называется вакуумный диод

Эта электронная лампа носит название вакуумный ТРИОД.

— Она имеет третий электрод –сетку, знак потенциала на которой управляет потоком электронов .

Выводы:1. носители заряда – электроны;

— 2. процесс образования носителей заряда – термоэлектронная эмиссия;

— 3.закон Ома не выполняется;

— 4.техническое применение – вакуумные лампы (диод, триод), электронно – лучевая трубка.

Электрический ток в полупроводниках

— При нагревании или освещении некоторые электроны приобретают возможность свободно перемещаться внутри кристалла, так что при приложении электрического поля возникает направленное перемещение электронов.

— полупроводники представляют собой нечто среднее между проводниками и изоляторами.

Полупроводники — твердые вещества, проводимость которых зависит от внешних условий (в основном от нагревания и от освещения).

С понижением температуры сопротивление металлов падает. У полупроводников, напротив, с понижением температуры сопротивление возрастает и вблизи абсолютного нуля они практически становятся изоляторами.

— Зависимость удельного сопротивления ρ чистого полупроводника от абсолютной температуры T .

Собственная проводимость полупроводников

— Атомы германия имеют четыре слабо связанных электрона на внешней оболочке. Их называют валентными электронами . В кристаллической решетке каждый атом окружен четырьмя ближайшими соседями. Связь между атомами в кристалле германия является ковалентной , т. е. осуществляется парами валентных электронов. Каждый валентный электрон принадлежит двум атомам .Валентные электроны в кристалле германия гораздо сильнее связаны с атомами, чем в металлах; поэтому концентрация электронов проводимости при комнатной температуре в полупроводниках на много порядков меньше, чем у металлов. Вблизи абсолютного нуля температуры в кристалле германия все электроны заняты в образовании связей. Такой кристалл электрического тока не проводит.

Образование электронно-дырочной пары

— При повышении температуры или увеличении освещенности некоторая часть валентных электронов может получить энергию, достаточную для разрыва ковалентных связей. Тогда в кристалле возникнут свободные электроны (электроны проводимости). Одновременно в местах разрыва связей образуются вакансии, которые не заняты электронами. Эти вакансии получили название «дырок ».

Читайте также:  Схемы зарядных устройств постоянным током

Примесная проводимость полупроводников

— Проводимость полупроводников при наличии примесей называется примесной проводимостью. Различают два типа примесной проводимости – электронную и дырочную проводимости.

Электронная и дырочная проводимости.

— Если примесь имеет валентность большую, чем чистый полупроводник, то появляются свободные электроны. Проводимость –электронная, примесь донорная, полупроводник n – типа.

— Если примесь имеет валентность меньшую, чем чистый полупроводник, то появляются разрывы связей – дырки. Проводимость – дырочная, примесь акцепторная, полупроводник p – типа.

Выводы:1. носители заряда – электроны и дырки;

— 2. процесс образования носителей заряда – нагревание, освещение или внедрение примесей;

— 3.закон Ома не выполняется;

— 4.техническое применение – электроника.

Электрический ток в жидкостях

Электролитами принято называть проводящие среды, в которых протекание электрического тока сопровождается переносом вещества. Носителями свободных зарядов в электролитах являются положительно и отрицательно заряженные ионы. Электролитами являются водные растворы неорганических кислот, солей и щелочей.

Сопротивление электролитов падает с ростом температуры, так как с ростом температуры растёт количество ионов.

График зависимости сопротивления электролита от температуры.

Явление электролиза

— — это выделение на электродах веществ, входящих в электролиты;
Положительно заряженные ионы (анионы) под действием электрического поля стремятся к отрицательному катоду, а отрицательно заряженные ионы (катионы) — к положительному аноду.
На аноде отрицательные ионы отдают лишние электроны (окислительная реакция )
На катоде положительные ионы получают недостающие электроны (восстановительная ).

Законы электролиза Фарадея.

— Законы электролиза определяют массу вещества, выделяемого при электролизе на катоде или аноде за всё время прохождения электрического тока через электролит.

— k — электрохимический эквивалент вещества,
численно равный массе вещества, выделившегося на электроде при прохождении через электролит заряда в 1 Кл.

Вывод:1. носители заряда – положительные и отрицательные ионы;

2. процесс образования носителей заряда – электролитическая диссоциация;

3 .электролиты подчиняются закону Ома;

4.Применение электролиза :
получение цветных металлов (очистка от примесей — рафинирование); гальваностегия — получение покрытий на металле (никелирование, хромирование, золочение, серебрение и т.д. );
гальванопластика — получение отслаиваемых покрытий (рельефных копий).

Электрический ток в газах

Зарядим конденсатор и подключим его обкладки к электрометру. Заряд на пластинах конденсатора держится сколь угодно долго, не наблюдается перехода заряда с одной пластины конденсатора на другую. Следовательно воздух между пластинами конденсатора не проводит ток.

В обычных условиях отсутствует проводимость электрического тока любыми газами. Нагреем теперь воздух в промежутке между пластинами конденсатора, внеся в него зажженную горелку. Электрометр укажет появление тока, следовательно при высокой температуре часть нейтральных молекул газа распадается на положительные и отрицательные ионы. Такое явление называется ионизацией газа.

Прохождение электрического тока через газ называется разрядом.

— Разряд, существующий при действии внешнего ионизатора, — несамостоятельный .

Если действие внешнего ионизатора продолжается, то через определенное время в газе устанавливается внутренняя ионизация (ионизация электронным ударом) и разряд становится самостоятельным .

Виды самостоятельного разряда:

Искровой разряд

— При достаточно большой напряженности поля (около 3 МВ/м) между электродами появляется электрическая искра, имеющая вид ярко светящегося извилистого канала, соединяющего оба электрода. Газ вблизи искры нагревается до высокой температуры и внезапно расширяется, отчего возникают звуковые волны, и мы слышим характерный треск.

Молния. Красивое и небезопасное явление природы – молния – представляет собой искровой разряд в атмосфере.

Уже в середине 18-го века высказывалось предположение, что грозовые облака несут в себе большие электрические заряды и что молния есть гигантская искра, ничем, кроме размеров, не отличающаяся от искры между шарами электрической машины. На это указывал, например, русский физик и химик Михаил Васильевич Ломоносов (1711-1765), наряду с другими научными вопросами занимавшийся атмосферным электричеством.

Электрическая дуга (дуговой разряд)

— В 1802 году русский физик В.В. Петров (1761-1834) установил, что если присоединить к полюсам большой электрической батареи два кусочка древесного угля и, приведя угли в соприкосновение, слегка их раздвинуть, то между концами углей образуется яркое пламя, а сами концы углей раскалятся добела, испуская ослепительный свет.

Вывод:1. носители заряда – положительные, отрицательные ионы и электроны;

2. процесс образования носителей заряда – ионизация внешним ионизатором или электронным ударом;

3 .газы не подчиняются закону Ома;

4.Техническое применение: дуговая электросварка, коронные фильтры, искровая обработка металлов, лампы дневного света и газосветная реклама.

— 1. Кабардин О.Ф. Физика: Справ. материалы. Учеб. пособие для учащихся. – 5-е изд., перераб. и доп. – М.: Просвещение, 2003.

Источник

Электрический ток в различных средах

Конспект по физике для 8 класса «Электрический ток в различных средах». Что представляет собой электрический ток в металлах, электролитах и газах.

Электрический ток в различных средах

Электрический ток может проходить через различные вещества: металлы, растворы и расплавы некоторых веществ и при определённых условиях через газы. Для возникновения электрического тока в какой-либо среде необходимо, чтобы в ней имелись заряженные частицы, которые будут перемещаться под действием электрического поля. Этими частицами могут быть как электроны, так и ионы.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В МЕТАЛЛАХ

Металлы в твёрдом состоянии имеют кристаллическое строение. Частицы в металлах располагаются в определённом порядке, образуя кристаллическую решётку. В узлах кристаллической решётки металла расположены положительные ионы, а в пространстве между ними хаотично движутся свободные электроны.

Если в металле создать электрическое поле, то свободные электроны начнут двигаться упорядоченно в направлении действия электрических сил. Возникнет электрический ток. Итак, электрический ток в металлах представляет собой упорядоченное движение свободных электронов.

Доказательство того, что ток в металлах создают именно свободные электроны, было получено в опытах, поставленных в 1913 г. российскими физиками Л. И. Мандельштамом и Н. Д. Папалекси и в 1916 г. английскими физиками Р. Толменом и Т. Стюартом.

В основе этих опытов лежит предположение о том, что если металлический проводник привести в движение и резко затормозить, то свободные электроны должны по инерции продолжать движение относительно ионной решётки, подобно тому как отклоняются вперёд пассажиры при резком торможении автобуса. Следовательно, в проводнике должен возникнуть кратковременный электрический ток.

Для проведения подобного опыта на катушку наматывают проволоку, концы которой припаивают к двум металлическим дискам. Диски соединяют с чувствительным прибором, называемым гальванометром, который позволяет судить о наличии тока. Катушку приводят в быстрое вращение, а затем резко останавливают. Стрелка гальванометра при торможении катушки отклоняется, что говорит о возникновении кратковременного тока. По направлению отклонения стрелки и устанавливается, что ток создаётся движением именно отрицательно заряженных частиц.

В медной проволоке на каждый атом меди приходится в среднем один свободный электрон. В куске проволоки массой m = 64 г находится примерно 6 • 10 23 свободных электронов.

Неправильно думать, что электроны в электрическом поле движутся прямолинейно. Траектория их движения является сложной из-за взаимодействия с другими частицами. Движение электронов в этом случае напоминает дрейф льдин во время ледохода, когда они, двигаясь беспорядочно и сталкиваясь друг с другом, дрейфуют по течению реки.

Читайте также:  Ток двигателя при малой скорости

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ЭЛЕКТРОЛИТАХ

Растворы солей, кислот и щелочей также могут проводить электрический ток. Такие растворы называют растворами электролитов.

В сосуд с дистиллированной водой опустим два угольных электрода (стержня) и соединим их с источником тока, лампочкой и ключом. Между электродами возникает электрическое поле, но лампочка не горит. Это означает, что дистиллированная вода не проводит электрический ток. Но если растворить в воде какую-либо соль, например поваренную, то лампочка загорится. Это означает, что в растворе поваренной соли присутствуют свободные заряды, которые создают электрический ток. Что это за частицы?

При растворении в воде солей, кислот и щелочей нейтральные молекулы этих веществ распадаются на положительные и отрицательные ионы. Это явление называется электролитической диссоциацией.

Например, молекулы поваренной соли распадаются на положительный ион натрия и отрицательный ион хлора. Пока электрическое поле отсутствует, ионы совершают беспорядочное тепловое движение. Но в электрическом поле ионы, подобно электронам в металлах, начинают двигаться. Положительные ионы натрия в электрическом поле будут двигаться к электроду, соединённому с отрицательным полюсом источника тока. Такой электрод называют катодом. А отрицательные ионы хлора будут двигаться к электроду, соединённому с положительным полюсом источника тока. Такой электрод называют анодом.

Электрический ток в растворах (или расплавах) электролитов представляет собой перемещение ионов обоих знаков в противоположных направлениях.

При протекании электрического тока через растворы или расплавы электролитов на электродах выделяется чистое вещество. Этот процесс называют электролизом. Электролиз широко используется в современной электрометаллургии — получении металлов путём электролиза. Например, весь алюминий в настоящее время получают электролитически. Хорошим примером также является электролитическое очищение (рафинирование) меди.

Посредством электролиза можно покрыть металлические предметы слоем другого металла. Этот процесс называется гальваностегией.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ГАЗАХ

Укрепим две металлические пластины параллельно друг другу. Соединим одну со стержнем, а другую с корпусом электроскопа. Сообщим им разноимённые заряды.

Опыт показывает, что электроскоп не разряжается. Это означает, что воздух между пластинами не проводит электрический ток.

В обычных условиях газы являются хорошими изоляторами, так как они состоят из нейтральных атомов или молекул. В них нет свободных электрических зарядов, которые могут создавать электрический ток.

Если внести в пространство между пластинами пламя спички или спиртовки, то электроскоп быстро разрядится.

Этот опыт показывает, что под действием пламени газ может стать проводником электрического тока, потому что часть нейтральных атомов и молекул газа превращается в ионы. Электроны могут отрываться от атомов также под действием света.

Вы смотрели Конспект по физике для 8 класса «Электрический ток в различных средах».

Источник

Электрический ток в различных средах

Автор работы: Пользователь скрыл имя, 26 Ноября 2012 в 18:22, реферат

Краткое описание

Электрическим током называют упорядоченное движение электрических зарядов. Электрический ток может возникнуть и существовать в данной среде при следующих условиях: 1) если в неё имеются свободные электрические заряды, т.е. среда является проводником; 2) если в ней создано электрическое поле.
Характер электропроводимости вещества зависит от природы свободных зарядов.

Содержание

Введение 3
1. Электрический ток в металлах
1.1. Электрическая проводимость металлов 4
1.2. Электрическая сверхпроводимость металлов 5
2. Электрический ток в электролита
2.1. Явление электролиза 7
2.2. Законы электролиза Фарадея 9
3. Электрический ток в газах
3.1. Ионизация газов. Газовый разряд 13
3.2. Электрическая дуга и электрическая искра 15
3.3. Электрический ток в разрежённых газах.
Катодные лучи 16
Список литературы 20
Приложение 21

Прикрепленные файлы: 1 файл

Реферат на тему- Электрический ток в различных средах.docx

На тему: Электрический ток в различных средах.

1. Электрический ток в металлах

1.1. Электрическая проводимость металлов 4

1.2. Электрическая сверхпроводимость металлов 5

2. Электрический ток в электролита

2.1. Явление электролиза 7

2.2. Законы электролиза Фарадея 9

3. Электрический ток в газах

3.1. Ионизация газов. Газовый разряд 13

3.2. Электрическая дуга и электрическая искра 15

3.3. Электрический ток в разрежённых газах.

Катодные лучи 16

Список литературы 20

Электрическим током называют упорядоченное движение электрических зарядов. Электрический ток может возникнуть и существовать в данной среде при следующих условиях: 1) если в неё имеются свободные электрические заряды, т.е. среда является проводником; 2) если в ней создано электрическое поле.

Характер электропроводимости вещества зависит от природы свободных зарядов.

В металлах, или так называемых проводниках первого рода, свободными зарядами являются электроны, которые сорвались с внешних оболочек части атомов металла, превратив в их в положительные ионы.

В жидких растворах, или электролитах, называемых проводниками второго рода, свободными зарядами являются положительные и отрицательные ионы. К электролитам относятся, например, водные растворы солей, кислот и щелочей. Молекулы этих веществ в воде расщепляются на ионы. Ионами называются заряженные частицы, которые представляют собой атомы или группы атомов, потерявшие часть своих электронов или присоединившие к себе лишние электроны.

Газы являются проводниками третьего рода, они обладают ионно-электронной проводимостью. Газ становится проводником, когда он ионизирован, т.е. когда часть его молекул под влиянием внешних воздействий теряет электроны и в газе возникают положительные ионы и электроны.

1. Электрический ток в металлах.

1.1. Электрическая проводимость металлов.

В начале ХХ века немецким физиком П. Друде (1863-1906) была создана классическая электронная теория проводимости металлов, получившая дальнейшее развитие в работах голландского физика-теоретика Г.А. Лоренца (1853-1928). Её основные положения заключаются в следующем.

С точки зрения электронной теории высокая электрическая проводимость в металлах (электропроводимость металлов) объясняется наличием огромного числа носителей тока – электронов проводимости, перемещающихся по всему объёму проводника. П. Друде предложил, что электроны проводимости в металле можно рассматривать как электронный газ, обладающий свойствами идеального одноатомного газа. При своём движении электроны проводимости сталкиваются с ионами кристаллической решётки металла.

Тепловое движение электронов вследствие своей хаотичности не может привести к возникновению электрического тока.

Под действием внешнего электрического поля в металлическом проводнике возникает упорядоченное движение электронов, т.е. возникает электрический ток.

Средняя скорость упорядоченного движения электронов, обуславливающая наличие электрического тока в проводнике, чрезвычайно мала по сравнению со средней скоростью их теплового движения при обычных температурах. Небольшое значение средней скорости объясняется весьма частыми столкновениями электронов с ионами кристаллической решётки.

Экспериментальное обоснование классической электронной теории. В опытах, выполненных Н.Л. Мандельштамом и Н.Д. Палалекси, а также Стюартом и Толменом, было экспериментально подтверждено, что проводимость металлов обусловлена движением свободных электронов. На катушку был намотан медный проводник, присоединённый к баллистическому гальванометру. Катушку приводили в быстрое вращение, а затем резко останавливали. В момент торможения гальванометр показывал кратковременный ток, направление которого свидетельствовало, что он создаётся движением отрицательно заряженных частиц. Эти частицы, были свободными, при торможении кристаллической решётки, массы движутся по инерции и создают ток. Определяя с помощью манометра заряд, проходящий через него за всё время существования тока в цепи. Стюарт и Толмен нашли удельный заряд носителей тока в металле, т.е. отношение заряда частиц к массе. Он равный 1,8 · 10 Кл/кг. Это отношение в пределах ошибки совпадает со значением е/т для электронов, которое было найдено по отклонению пучка электронов в магнитном поле. Таким образом, электрический ток в металлах представляет собою упорядоченное, направленное движение свободных электронов, которое накладывается на их беспорядоченное тепловое движение при включении электрического поля в проводнике.

Читайте также:  Кроссворд по теме электрический ток в полупроводниках

1.2. Электрическая сверхпроводимость металлов.

В 1911 году голландский физик Г. Камерлинг-Оннес обнаружил, что при постепенном охлаждении сопротивление ртути уменьшается по линейному закону только до температуры 4,15 К, а затем исчезает. Это явление получило название сверхпроводимость. Температуру, при которой ряд веществ переходит в сверхпроводящее состояние, называют критической.

Интересной особенностью сверхпроводящего состояния вещества является то, что с повышением температуры выше критической оно исчезает и вещество переходит в нормальное состояние. Явление сверхпроводимости исследовали во многих физических лабораториях мира, но только в 1985 году удалось найти материалы, которые переходят в сверхпроводящее состояние примерно при 20 К (-253°С). В 1986 году был обнаружен керамический материал, переходивший в сверхпроводящее состояние при температуре 30 К (-243°С). За один год потолок кристаллической температуры был поднят на 10 К. Это послужило толчком к поиску и исследованию керамических материалов, переходящих в сверхпроводящее состояние. Уже в 1987 году были найдены керамики, переходящие в сверхпроводящее состояние при температуре 125 К (-148°С). В настоящее время найдены материалы переходящие в сверхпроводящее состояние при температуре 162 К (-111°С). Последние пять лет исследованием явления сверхпроводимости заняты учёные многих стран мира. Задача этих исследований – найти вещества, переходящие в сверхпроводящее состояние при всё более высоких температурах. Интересно, что в ходе исследований были открыты сверхпроводящие полимеры.

Явление сверхпроводимости нашло широкое применение в современной технике. Так, например, уже построены и действуют генераторы электрического тока, магнитное поле и т.д.

Электронная теория проводимости металлов не смогла объяснить явление сверхпроводимости. Это явление было объяснено с позиций квантовой физики.

2. Электрический ток в электролитах.

2.1. Явление электролиза.

В электролитах свободными зарядами являются положительные и отрицательные ионы. Опустим в сосуд, содержащий электролит, две металлические или угольные пластинки, соединённые с источником Е. Д. С. (рис. 1) и называемые электродами. Электрод, соединённый с положительным полюсом источника, называется анодом, соединённый с отрицательным полюсом источника – катодом. Сосуд, содержащий электролит и электроды называется электролитической ванной (или вольтаметром).

При замыкании цепи анод заряжается положительно, катод – отрицательно, и между ними образуется электрическое поле. Под действием силы поля отрицательные ионы движутся к аноду, а положительные – к катоду (рис. 2). Поэтому отрицательные ионы получили название анионов, а положительные – катионов. Достигнув катода, катионы присоединяют к себе избыточные электроны катода и превращаются в нейтральные атомы. Эти атомы или образовавшиеся из них молекулы откладываются на электродах, покрывая их слоев вещества. Выделение вещества на электродах при прохождении электрического тока через электролит называется электролизом.

Нередко прохождение электрического тока через электролиты сопровождается химическими превращениями вещества. Рассмотрим, например, электролиз водного раствора серной кислоты. При диссоциации молекула серной кислоты распадается на положительный ион водорода и отрицательный ион кислотного остатка:

причём каждый из ионов несёт заряд, численно равный элементарному заряду. Оказывается, что небольшая часть молекул воды также диссоциирована на ионы, а именно: на положительный ион водорода и отрицательный ион гидроксида:

При замыкании электрической цепи все ионы водорода движутся к катоду, а отрицательно заряженные ионы OH — и SO4 — к аноду. Ионы водорода отнимают у катода электроны и превращаются в нейтральные атомы, которые соединяются в молекулы H2 и выделяются из раствора. Анод отбирает лишние электроны у подошедших к нему ионов OH — , так как силы, удерживающие электроны в ионах гидроксида, значительно меньше, чем силы, удерживающие электроны в ионах SO4 — . При разрядке ионов OH — образуются молекулы воды и молекулы кислорода, который и выделяется из раствора. Таким образом, в растворе образуются следующие ионы:

На катоде выделяется газообразный водород:

где e – заряд электрона.

На аноде SO4 — остаются в растворе и, соединившись с ионами водорода, могут образовать молекулы H2SO4. В результате электролиза общее количество серной кислоты в растворе остаётся неизменным, а количество воды уменьшается.

Процесс, при котором вещество выделяется на обоих электродах, возможен лишь в том случае, когда электроды не растворяются в электролите.

Для электролитов справедлив закон Ома

где R – сопротивление электролита, равное

Удельная электропроводимость γ данного электролита тем больше, чем большее число его молекул диссоциировано на ионы и с тем большей скоростью эти ионы движутся под действием электрического поля с данной напряжённостью. При нагревании сопротивлении электролитов уменьшается. Это объясняется двумя причинами: во-первых, с увеличением температуры возрастает кинетическая энергия молекул электролита, и при соударениях большее их число распадается на ионы; во-вторых, при нагревании жидкости уменьшается её внутреннее трение, а следовательно, скорость движения ионов увеличивается.

2.2. Законы электролиза Фарадея.

М. Фарадей исследовал явления происхождения электрического тока через электролиты и на основании опытов установил два основных закона электролиза.

Первый закон: масса m вещества, выделившаяся при электролизе на каждом из электродов, пропорциональна величине заряда q, прошедшего через электролит:

где k – электрохимический эквивалент данного вещества. При q = 1k k = m, т.е. электрохимический эквивалент равен количеству вещества, выделившемуся на электроде при прохождении через электролит единицы заряда.

Так как q = I t, то

Значения электрохимических эквивалентов для некоторых веществ приведены в приложении № 1.

Первый закон Фарадея легко проверить на опыте. Включим три одинаковые электролитические ванны А, В и С, содержащие один и тот же электролит и имеющие одинаковые сопротивления, так, как показано на рис.3. Ток I, протекающий через ванну А, разделится поровну между ваннами В и С. Измерив после опыта количества вещества, выделившиеся на анодах ванн В и С, мы убедимся, что каждая из масс mB и mC равна половине массы mA, выделившейся на аноде ванны А. То же соотношение мы обнаружим и для масс вещества, выделившихся на катодах.

Второй закон: электрохимические эквиваленты элементов прямо пропорциональны их химическим эквивалентам:

Здесь А – атомный вес элемента, Z – его валентность. Отношение

называется химическим эквивалентом вещества; С – величина постоянная, имеющая одно и тоже значение для всех веществ.

Проверим второй закон Фарадея экспериментально. Соединим последовательно несколько электролитических ванн, содержащих различные электролиты (рис. 4). Обозначим массу вещества, выделившегося на одном из электродов (например, на катоде) первой ванны, m1, атомный вес этого вещества A1 и его валентность Z1, а соответствующие значения этих величин для вещества во второй ванне m2, A2 и Z2. По второму закону Фарадея,

Но согласно первому закону Фарадея,

Подставим эти значения k1 и k2 в формулу (3). Так сила I и время t его прохождения через электролит одинаковы для обоих электролитов, то

Определим из опыта m1 и m2 и найдём значения A1, Z1, A2 и Z2. Повторим опыт со II и III вольтметрами, убедимся, что равенство (4) справедливо для любых двух веществ, выделившихся на электродах при электролизе в двух последовательно соединённых электролитических ваннах.

Источник

Adblock
detector