Меню

Как образуются носители тока в жидкостях

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.

Читайте также:  Www сила тока ru

Источник

Электрический ток в жидкостях

Проводимость жидкостей

Для того, чтобы вещество могло проводить электрический ток, оно должно содержать некоторую концентрацию заряженных частиц, способных двигаться под действием электрического поля. Как и в твердых телах, такие частицы имеются не во всех жидкостях, поэтому жидкости также, как и твердые тела, могут быть проводниками и диэлектриками. Например, химически чистая вода практически не содержит носителей заряда, и является диэлектриком.

Однако, проводимость жидкостей, содержащих свободные заряженные частицы, существенно отличается от проводимости твердых тел. Если в твердых телах атомы выстраиваются в плотную кристаллическую решетку, и электроны могут достаточно свободно перемещаться между атомами, обеспечивая металлическую проводимость, то в жидкостях свободных электронов нет. Молекулы жидкости располагаются на достаточно больших расстояниях, и электроны не могут свободно покидать ядра.

Молекулы жидкости

Рис. 1. Молекулы жидкости.

Поэтому проводимость жидкостей обеспечивается исключительно за счет наличия в ней заряженных ионов.

Ионы и ионная связь

Ион – это часть молекулы, число электронов в которой не равно числу протонов в ядрах его атомов, и, таким образом, ион всегда имеет некоторый заряд.

Ионы образуются за счет того, что существуют энергетически устойчивые конфигурации электронных оболочек в атомах, число электронов в которых имеет определенные значения – чаще всего, 0, 2 или 8 электронов.

Атому, число внешних электронов у которого близко к этим цифрам, «энергетически выгодно» изменить число электронов так, чтобы число электронов во внешней оболочке стало устойчивым, даже несмотря на приобретение электрического заряда.

Во внешней электронной оболочке натрия имеется один электрон, поэтому натрий очень легко теряет его, превращаясь в положительный ион. Во внешней электронной оболочке хлора имеется семь электронов, поэтому хлор легко включает один свободный электрон в оболочку, становясь отрицательным ионом. Эти два процесса могут быть объединены – натрий передает электрон хлору, в результате образуются два противоположно заряженных иона, которые сразу же притягиваются друг к другу. Поэтому натрий горит в хлоре, образуя белый дым, состоящий из мельчайших кристалликов обычной поваренной соли $NaCl$.

Рис. 2. Горение натрия в хлоре.

Химическая связь, возникающая за счет образования ионов, называется ионной. Такая связь имеется практически во всех кислотах, солях и щелочах.

Электролитическая диссоциация

Если вещество, молекулы которого образованы ионной связью расплавить, то сперва молекулы за счет температуры удаляются друг от друга все дальше, а потом наступает определенный момент, когда и ионы, образующие молекулы, тоже удаляются настолько далеко друг от друга, что им становится возможным образовывать ионные связи с другими ионами. Таким образом, в расплаве вещества за счет температуры появляются подвижные заряженные частицы, способные двигаться под действием внешнего электрического поля.

Воздействие температуры можно заменить воздействием растворителя. Если молекулы растворителя являются диполем (например, обычная вода), то эти молекулы могут взаимодействовать с ионами кристаллической решетки растворяемого вещества, унося их в раствор. В растворе появляются заряженные частицы, способные двигаться под действием электрического поля. Происходит это, как правило, при более низких температурах. Например, если расплав поваренной соли требует температуры более 800⁰C, то растворение соли происходит при комнатной температуре.

Распад вещества на ионы с образованием проводящего электролита под действием температуры или растворителя называется электролитической диссоциацией.

Ионная электролитическая диссоциация

Рис. 3. Ионная электролитическая диссоциация.

Таким образом, жидкость может проводить электрический ток, если она, либо сама состоит из ионов, либо является раствором вещества с ионной связью.

Читайте также:  Стационарная сеть переменного тока это

Что мы узнали?

Электрический ток в жидкостях может существовать, если жидкость содержит свободные заряженные частицы – ионы. Такие частицы могут существовать, либо если молекулы жидкости состоят из ионов, либо если в жидкости растворено вещество с ионной связью (например, расплав или раствор поваренной соли). Жидкость, не содержащая ионов (например, химически чистая вода) электрический ток не проводит.

Источник

Проектируем электрику вместе

Электрический ток в жидкостях

Вода, как универсальный растворитель.. Водные растворы.. Электролитическая диссоциация.. Электролит.. Слабые и сильные электролиты.. Носители электрических зарядов в жидкости.. Положительные и отрицательные ионы.. Электролиз.. Расплавы.. Природа электрического тока в расплавах..

Одним из условий возникновения электрического тока является наличие свободных зарядов, способных двигаться под действием электрического поля. О природе электрического тока в металлах мы говорили здесь и тут.
В этом уроке мы попытаемся разобраться, какие частицы переносят электрический заряд в жидкостях и расплавах.

Вода, как универсальный растворитель

Как мы знаем, дистиллированная вода не содержит носителей зарядов и поэтому не проводит электрический ток, т. е. является диэлектриком. Однако наличие каких-либо примесей уже делает воду достаточно хорошим проводником.
Вода обладает феноменальной способностью растворять в себе почти все химические элементы. При растворении в воде различных веществ (кислот, щелочей, оснований, солей и др.) раствор становится проводником из-за распада молекул вещества на ионы. Это явление называется электролитической диссоциацией, а сам раствор – электролитом, способным проводить электрический ток. Все водные бассейны на Земле в большей или меньшей степени являются природными электролитами.

Мировой океан представляет собой раствор ионов практически всех элементов таблицы Менделеева.

Желудочный сок, кровь, лимфа, все жидкости в организме человека являются электролитами. Все животные и растения также в основном состоят из электролитов.

По степени диссоциации есть слабые и сильные электролиты. Вода относится к слабым электролитам, а большинство неорганических кислот относится к сильным электролитам. Электролиты еще называют проводниками второго рода.

Носители электрических зарядов в жидкости

При растворении в воде (или в другой жидкости) различных веществ, они распадаются на ионы.
Например, обыкновенная поваренная соль NaCl (хлорид натрия) в воде разделяется на положительные ионы натрия (Na +) и отрицательные ионы хлора (Cl -). Если два полюса в полученном электролите находятся под различными потенциалами, то отрицательные ионы дрейфуют к положительному полюсу, в то время как положительные ионы дрейфуют к отрицательному полюсу.

Таким образом, электрический ток в жидкости состоит из потоков положительных и отрицательных ионов, направленных навстречу друг другу.

В то время как абсолютно чистая вода является изолятором, вода, содержащая даже небольшие примеси (естественные либо привнесенные извне) ионизированного вещества, является проводником электрического тока.

Электролиз

Поскольку положительные и отрицательные ионы растворенного вещества под воздействием электрического поля дрейфуют в разные стороны, вещество постепенно разделяется на две части.

Такое разделение вещества на составляющие его элементы называется электролизом.

Электролиты используются в электрохимии, в химических источниках тока (гальванические элементы и батареи), в производственных процессах гальваники и других технологиях, основанных на движении электрических зарядов в жидкостях под действием электрического поля.

Расплавы

Диссоциация вещества возможна и без участия воды. Достаточно расплавить кристаллы химического состава вещества и получить расплав. Расплавы вещества так же, как водные электролиты являются проводниками второго рода, а потому их можно называть электролитами. Электрический ток в расплавах имеет ту же природу, что и ток в водных электролитах – это встречные потоки положительных и отрицательных ионов.

Читайте также:  Сила тока в проводнике в течение времени равномерно возрастает от 0 до i 1

Используя расплавы, в металлургии получают алюминий электролитическим способом из глинозема. Электрический ток пропускается через оксид алюминия и в процессе электролиза у одного из электродов (катода), накапливается чистый алюминий. Это очень энергоемкий процесс, который по энергопотреблению напоминает разложение воды на водород и кислород с помощью электрического тока.

Источник



Электрический ток в жидкостях

Вещества, обладающие ионной проводимостью, называют электролитами. Электрический ток в жидкостях – это упорядоченное движение ионов. Электролитами являются растворы солей, кислот, щелочей. Ионная проводимость обусловлена электролитической диссоциацией-распадом молекул на ионы под действием молекул растворителя. Образующиеся при распаде молекул ионы имеют одинаковые по модулю и противоположные по знаку заряды. Электрическое поле приводит их в упорядоченное движение.

Электролиз – выделение растворенного вещества на электродах, опущенных в электролит. Количественное описание процесса электролиза было экспериментально получено Майклом Фарадеем[6].

Рис. 9.4. Движение ионов в электролите между цинковым и медным электродами.

Первый закон Фарадея утверждает, что масса вещества, выделенная на электроде, пропорциональна заряду Q, перенесенному через электролит:

где k – электрохимический эквивалент вещества, который измеряется в системе СИ в единицах 1 кг/Кл.

В качестве примера на рис.9.4 медный и цинковый электроды помещены в серную кислоту. Под действием ионов серной кислоты в нее попадают положительно заряженные ионы цинка. При этом свободные электроны остаются на стержне. Когда цепь замкнута по внешнему проводу возникает движение свободных электронов, то есть возникает ток. Ионы цинка осаждаются на медном электроде.

Второй закон Фарадея устанавливает связь между электрохимическим эквивалентом вещества и его химическим эквивалентом. Химическим эквивалентом χ называют отношение атомной массы вещества А к его валентности n :

Второй закон Фарадея формулируется так: электрохимические эквиваленты вещества пропорциональны их химическим эквивалентам:

Из уравнения (9.2.3) следует, что отношение химического эквивалента вещества к электрохимическому эквиваленту оказывается постоянной величиной для всех веществ. Это отношение получило название постоянной Фарадея:

Далее экспериментальные исследования показали, что два открытых закона являются частными случаями более общего закона — объединенного закона Фарадея.

Объединенный закон Фарадея имеет следующий вид:

На принципе электролиза в электролитах работают широко используемые в повседневной жизни батарейки. Электролиз применяется в промышленности для получения водорода, гидроксидов натрия, хлора и других химических соединений, извлечения металлов из руд, а также при очистке сточных вод.

Пример. 9.2. Законы Фарадея широко используются в медицине. Организм человека состоит из биологических жидкостей, в которых много свободных электронов и ионов. Под действием электрического поля они движутся в противоположных направлениях и с разными скоростями. Электрический ток используется в физиотерапии. Постоянное напряжение

60 вольт прикладывается к свинцовым электродам. Законы электролиза используются и для введения лекарственных веществ через кожу. Этот способ лечения получил название электрофорез. На ткань наносится лекарство. Ткань укладывается на тело человека, например, как показано на рис. 9.5, на спину.

9.5. К объяснению электрофореза.

Под нее ставится электрод. Второй электрод располагается на другой части тела, например, опять же на спине. К ним подводится слабый постоянный ток, порядка десятков — сотен микроампер. Под действием тока происходит диссоциация молекул раствора, образовавшиеся ионы направляются из раствора к поверхности тела, постепенно осаживаясь на коже и проникая в нее.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник