Elektrolitikus áram különböző környezetekben - szórakoztató fizika

A fémek elektromos áramának hordozói szabad elektronok. A fémek elektronikus vezetőképessége alapján Ohm-törvényt lehet előállítani. A mozgási energia az elektron idején ütközés annak vége szabad úthossz (szabad úthossza elektronok - közötti távolság két szomszédos bélyegek) jelöli az átlagos szabad (az az idő intervallum, amely alatt az elektron áthalad szabad úthossz) keresztül m minden vezetési elektronok, amelyek rendelkezésre állnak a vezetőben rész. hossza l és az S szakasz, egy energia egyenlő

ahol v az elektron sebessége az ionnal való ütközés előtt. Az elektromos helyhez kötött mozgás hatására az irányított mozgás átlagsebessége ¼

Feltételezzük, hogy az elektronok mozgása a hatások között egységesen felgyorsul. Az áramerősség mikroszkópikus mennyiségekkel (I = neSv) való expresszálására szolgáló képletben helyettesítjük

kapunk: 2I = neSv. Ebből a kifejezésből:

amelyet helyettesítünk (3.18) és megkapjuk:

A (3.19) kifejezésben az összes mennyiséget, mielőtt nem függnék a feszültségtől, és ezért:

Így az áram arányos a feszültséggel. A fémek áramfeszültség jellemzője a 3. ábrán látható. 53. Ismertessük az áram I-et, az elektron töltést, a vezető keresztmetszetét és az elektron koncentrációt, meghatározhatjuk az elektronok rendezett mozgásának sebességét, az úgynevezett sodrási sebességet.

CÉL:

Elektromos áram mindenütt jelen van, folyik: a testünkben, továbbítása az idegi impulzusok a légkörben, ami villámcsapás és hasonlók, és természetesen, az elektromos készülékek, átfolyik a fém vezetékek.

ESZKÖZ:

A fémekben lévő elektromos áram a negatív töltésű szabad elektronok mozgása egy elektromos mező hatására, egy fém rendezett kristályrácsának pozitív töltésű ionjai között.

A MŰKÖDÉS ALAPELVE:

Negatívan töltött szabad elektronok kaotikus mozgásnak indulnak az ionok közötti térben, de egy elektromos mező hatására elkezdenek eltolódni a pozitív töltésű elektród felé. Az eltolódás sebessége nagyon kicsi, körülbelül 1 mm / másodperc. Az elektromos mező azonban a fénysebességen (300 000 km / s) keresztül továbbítja a vezetőt, és mivel az összes elektron egyszerre mozog, kiderül, hogy az áram a fény sebességében mozog.

Elektromos áram a félvezetőkben

A félvezetők olyan anyagcsoportot neveztek el, amelyben a hőmérséklet növeli a vezetőképességet, csökkenti az elektromos ellenállást. Ez a félvezető alapvetően különbözik a fémektől. Tipikus félvezetők a germánium és a szilícium-kristályok, amelyekben az atomokat kovalens kötéssel kombinálják. Bármilyen hőmérsékleten, vannak szabad elektronok a félvezetőkben. A szabad elektromos szerkezetek egy külső elektromos mező hatására mozoghatnak a kristályban, ami elektromos vezetőképességet hoz létre. Egy elektron eltávolítása a kristályrács valamelyik atomjának külső héjából az ennek az atomnak egy pozitív ionvá való átalakulásához vezet. Ez az ion semlegesíthető oly módon, hogy az egyik szomszédos atomról elektronot vesz fel. Ezen túlmenően az atomokról a pozitív ionokra történő elektronátmenet eredményeként a hely kristályában kaotikus elmozdulást mutat a hiányzó elektronral. Kívülről, ezt a folyamatot a pozitív elektromos töltés elmozdulásának tartják, amelyet lyuknak neveznek. Amikor a kristályt elektromos mezőbe helyezzük, egy rendezett lyukmozgás keletkezik - a lyukvezetési áram. Ideális félvezető kristályban az elektromos áram egyenlő számú negatív töltésű elektronok és pozitívan töltött lyuk mozgásával jön létre. Az ideális félvezetők vezetőképességét belső vezetési képességnek nevezik. A félvezetők tulajdonságai erősen függenek a szennyeződések tartalmától. A szennyeződések két típusa - donor és akceptor. Az elektronokat kibocsátó és elektromos vezetőképességet előidéző ​​szennyeződéseket donornak nevezik (olyan szennyeződések, amelyeknek a valencia nagyobb, mint a fő félvezetőé. A félvezetők, amelyekben az elektronsűrűség meghaladja a lyukkoncentrációt, n-típusú félvezetőknek nevezzük. Szennyeződések, ami izgalmas elektronok és a lyukak ezáltal mozgatja növelése nélkül számának vezetési elektronok, az úgynevezett akceptor (szennyezettségnek vegyértékű kisebb, mint a fő félvezető). Alacsony hőmérsékleten az akceptor-szennyeződésben lévő félvezető kristályban lévő fő áramhordozók lyukak, és nem a fő hordozóelektronok. A félvezetők, amelyekben a lyukkoncentráció meghaladja a vezetőelektronok koncentrációját, p-típusú félvezetők vagy p-típusú félvezetők. Tekintsük két különböző vezetőképességű félvezető érintkezését. Határánál ilyen félvezető kölcsönös diffúziója a többségi töltéshordozók: elektronok a n-félvezető diffundál a p-félvezető, és a lyukak a p-félvezető a n-félvezető. Ennek eredményeképpen, az N-félvezető rész határos a kapcsolatot, akkor kimerült az elektronok, és van kialakítva feleslegben pozitív töltés, jelenléte miatt a csupasz szennyező ionok. A p-félvezetőből az n-félvezetőhöz vezető lyukak mozgása a felesleges negatív töltöttség megjelenését eredményezi a p-félvezető határterületén. Ennek eredményeképpen kettős elektromos réteg képződik, és létrejön egy érintkező elektromos mező, amely megakadályozza a fő töltéshordozók további diffúzióját. Ezt a réteget zárolják. A külső elektromos mező hatással van a záróréteg elektromos vezetőképességére. Ha a félvezetők a 2. ábrán látható módon vannak csatlakoztatva a forráshoz. 55, majd hatása alatt egy külső elektromos mező többségi töltéshordozók - a szabad elektronok a n-félvezető, és a lyukak a p-félvezető - fog egymás felé mozdulnak, hogy a felület között a félvezető, a vastagsága p-n-átmenet csökken, ezért az ellenállása csökken. Ebben az esetben az áramot a külső ellenállás korlátozza. A külső elektromos mező ezen irányát közvetlenül nevezik. A p-n-csomópont közvetlen csatlakoztatása megfelel az 1. szakasznak az áramfeszültségre (lásd 57. ábra). A különféle környezetben lévő áramfelvételeket és a feszültség-amper jellemzõit fülön generalizáltuk. 1. Ha a félvezetők a 2. ábrán látható módon vannak csatlakoztatva a forráshoz. 56, az n-félvezetőben lévő elektronok és a p-félvezetőben lévő lyukak a külső elektromos mező hatása alatt a határtól ellentétes irányban mozognak. A záróréteg vastagsága, következésképpen annak ellenállása nő. Ilyen irányban a külső villamos tér - az ellenkező (zár) áthaladnak az interfész csak kisebbségi töltéshordozók koncentrációja, amely sokkal kisebb, mint a fő, és az áram gyakorlatilag nulla. A pn csomópont fordított visszacsatolása megfelel a 2. régiónak az áramfeszültség-jellemzőn (57. ábra). Így a pn csomópont aszimmetrikus vezetőképességgel rendelkezik. Ezt a tulajdonságot olyan félvezető diódákban használják, amelyek egy p-n-csomópontot tartalmaznak, és amelyeket például AC-helyesbítésre vagy kimutatásra használnak. A félvezetőket széles körben használják a modern elektronikus berendezésekben. A félvezető fémek hőállóságának függését a speciális félvezető eszközökben - termisztorokban használják. Olyan műszerek, amelyek a félvezető kristályok tulajdonságait használják, hogy elektromos fényviszonyok által megváltoztassák az elektromos ellenállást, fotorezisztoroknak nevezik.
Villamos áram az elektrolitokban

Az elektrolitokat olyan vezető közegnek nevezik, amelyben az elektromos áram áramlását az anyagátadás kísérte. Az elektrolitok szabad töltéseinek hordozói pozitív és negatív töltésű ionok. Az elektrolitok közé tartoznak az olvadt állapotú metalloidok számos fémvegyülete, valamint néhány szilárd anyag. Azonban a technikailag széles körben alkalmazott elektrolitok fő képviselői szervetlen savak, sók és bázisok vizes oldatai.

Az elektroliton átáramló elektromos áramot az anyagok elektrodei felszabadulása kíséri. Ezt a jelenséget elektrolízisnek nevezik. Az elektrolitok elektromos áramlása a két jel egymás ellenkező irányú ionjainak mozgása. Pozitív ionok a negatív elektródá (katód), negatív ionok a pozitív elektródá (anód) felé mozognak. Mindkét jel ionija a sók, savak és lúgok vizes oldatain jelenik meg a semleges molekulák egy részének feldarabolásával. Ezt a jelenséget elektrolitikus disszociációnak nevezik. Például, réz-klorid, CuCl2 vizes oldatban disszociál ionokra és réz klór: Amikor az elektródákat összekötő, hogy a jelenlegi forrást ionok alapján az elektromos mező kezdődik megrendelt Motion: pozitív rézionok elmozdulni a katód és a negatív töltésű klorid-ionok - az anód (ábra 4.15.1 ). Miután elérte a katódot, a rézionokat a katód felesleges elektronjai semlegesítik, és a katódon lerakódott semleges atomokká alakítják át. A klór ionjai, eljutnak az anódba, egy elektront adnak fel. Ezután a semleges klóratomok párosokká alakulnak és Cl2 klórmolekulákat képeznek. Az anódon klórt buborékok formájában szabadítanak fel. Sok esetben az elektrolízishez az elektródákon felszabaduló bomlástermékek másodlagos reakciói kapcsolódnak az elektródák vagy oldószerek anyagához. Ennek egyik példája a elektrolízise vizes réz-szulfát oldat CuSO4 (réz-szulfát) abban az esetben, amikor az elektródák csökkentette az elektrolitba, rézből készült. A réz-szulfát molekulák disszociációja a séma szerint történik, a neutrális réz-atomokat szilárd csapadékként a katódon helyezik el. Ily módon lehetséges kémiailag tiszta réz előállítása. Az ion az anód két elektrontá alakul, és semleges SO4 gyökerré válik másodlagos reakcióban a réz anóddal, és a képződő réz-szulfát molekula átjut az oldatba. Így, amikor egy elektromos áram áthalad egy vizes réz-szulfát oldaton, a réz anód feloldódik és a réz lerakódik a katódon. A réz-szulfát-oldat koncentrációja nem változik, az elektrolízis-törvényt 1833-ban kísérletileg az angol fizikus, M. Faraday hozta létre. Faraday törvénye számát határozza meg az elsődleges termékek felszabadulását a elektródák elektrolízis során: Tömeg m anyag alakult ki, hogy az elektródon egyenesen arányos a Q töltésű, áthaladt az elektrolit: A k érték az úgynevezett az elektrokémiai egyenértékű. Az elektródon felszabaduló anyag tömege megegyezik az összes elektróda által kibocsátott ion tömegével:

Itt, m0 és Q0 - a tömeg és a töltés az ion, - az ionok száma, hogy jönnek az elektróda, amikor áthalad az elektrolit a töltés Q. Így, az elektrokémiai egyenértékű k aránya ion tömege m0 az anyag annak töltés Q0. Mivel a töltés az ion a termék a vegyérték az anyag a n elemi töltés e (q0 = NE), a kifejezés az elektrokémiai egyenértékű k felírható

F = eNA = 96485 Cl / mol.

Itt NA az Avogadro konstans, M = m0NA az anyag moláris tömege, F = eNA a Faraday konstans.

A Faraday-konstans számszerűen egyenlő a töltéssel, amelyet az elektroliton keresztül kell elosztani, hogy egy monovalens anyagot különítsenek el az elektródon. A Faraday-törvény az elektrolízisre a következőképpen alakul:

Az elektrolízis jelenségét széles körben használják a modern ipari termelésben.

Elektromos áram a gázokban

A gázoknál nincsenek önfenntartó és független elektromos kisülések.

Az elektromos áram áramlásának olyan gázon való megjelenése, amelyet csak a gázon végzett külső hatások figyelembevételével figyeltek meg, nem önfenntartó elektromos kisülésnek nevezik. Egy atom elektron eltávolításának folyamata egy atom ionizációjának nevezik. A minimális energiát, amelyet egy atomból egy elektron leválasztására kell fordítani, ionizációs energiának nevezik. Az olyan részlegesen vagy teljesen ionizált gáz, amelyben a pozitív és negatív töltések sűrűsége azonos, plazmának hívják.

A nem önfenntartó kisülésű elektromos áram hordozói pozitív ionok és negatív elektronok. Az áramfeszültség jellemzője a 3. ábrán látható. 54. Az OAW területén nem önfenntartó kategória. A napszakban a kategória függetlenné válik.

Egy független kisüléssel az ionizáló atomok egyike az ionosítás elektronhatással. Az elektronhatással történő ionizálás akkor válik lehetségessé, ha az elektron megszerzi a Wk kinetikus energiát az átlagos szabad A pályán. elegendő ahhoz, hogy egy atom elektronból leválasztható legyen. A független gázkibocsátások típusai - a szikra, a korona, az ív és a fénykibocsátás.

A szikrakibocsátás két, különböző töltéssel töltött és nagy potenciális különbséggel rendelkező elektróda között fordul elő. Az ellenkezőleg feltöltött testek közötti feszültség akár 40 000 V-ot is elér. A szikramentesítés rövid élettartamú, mechanizmusa elektronikus sokk. A villám egyfajta szikramentesítés. Egy nagyon egyenetlen elektromos tér képződik, például a csúcs és a sík között, vagy a távvezeték vezetőt és a felület a Föld, van egy különleges formája önkisülés gázokban, úgynevezett Corona. Elektromos ívkisülés fedezte fel az orosz tudósok V. Petrov 1802-ben, az érintkező két elektróda feszültség mellett 40-50 szénatomot néhány helyen van sok kis részben egy nagy elektromos ellenállása. Ezeket a területeket erősen melegítik, kibocsátják az elektronokat, amelyek atomokat és molekulákat ionizálnak az elektródák között. Az ívben lévő elektromos áram hordozói pozitív töltésű ionok és elektronok. A csökkentett nyomás alatt előforduló kisülést glidakimenetnek nevezik. Azáltal, hogy csökkenti a nyomás növekszik a szabad úthossza elektronok, és ütközések közötti időben tudja megszerezni elegendő energiát, hogy ionizálja alacsonyabb térerősség. A lemerítést elektron-ion lavina végzi.

Villamos áram vákuumban

Ha két elektródot helyeznek el egy lezárt edénybe, és levegőt távolítanak el a tartályból, akkor nincs vákuumban elektromos áram - nincsenek áramforrások. Amerikai tudós TA Edison (1847-1931) 1879 g. Felismertük, hogy az elektromos áram is előfordulhat egy vákuum üvegcső, ha az egyik az elektródák ott melegítjük magas hőmérsékleten. A szabad elektronok emisszióját a felmelegített testek felületéről a termikus emissziónak nevezik. Az a munka, amelyet meg kell tenni az elektron felszabadításának a test felszínéről, az úgynevezett munkafunkció. A termikus emisszió jelenségét azzal magyarázza, hogy amikor a testhőmérséklet emelkedik, az anyag elektronainak egy részének kinetikus energiája nő. Ha az elektron kinetikus energiája meghaladja a munkafunkciót, akkor képes leküzdeni a vonzó erők hatását a pozitív ionoktól, és hagyja el a test felszínét egy vákuumban. A termikus kibocsátások jelensége a különböző elektroncsövek munkáján alapul.