Электрический ток в жидкостях — теория, электролиз

Газовый разряд и его типы

Итак, электрический ток в газах обусловлен упорядоченным движением заряженных частиц под действием приложенного к ним электрического поля. Наличие таких зарядов, в свою очередь, возможно благодаря различным факторам ионизации.

Электрический ток в жидкостях — теория, электролиз

Так, термоионизация требует значительных температур, но открытое пламя в связи с некоторыми химическими процессами способствует ионизации. Даже при сравнительно невысокой температуре в присутствии пламени фиксируется появление в газах электрического тока, и опыт с проводимостью газа позволяет легко в этом убедиться. Надо поместить пламя горелки или свечи между обкладками заряженного конденсатора. Цепь, разомкнутая прежде из-за воздушного зазора в конденсаторе, замкнется. Включенный в цепь гальванометр покажет наличие тока.

Электрический ток в газах называется газовым разрядом. Нужно иметь в виду, что для поддержания стабильности разряда действие ионизатора должно быть постоянным, так как из-за постоянной рекомбинации газ теряет электропроводящие свойства. Одни носители электрического тока в газах – ионы – нейтрализуются на электродах, другие – электроны, — попадая на анод, направляются к «плюсу» источника поля. Если ионизирующий фактор перестанет действовать, газ немедленно снова станет диэлектриком, и ток прекратится. Такой ток, зависимый от действия внешнего ионизатора, называется несамостоятельным разрядом.

Особенности прохождения электрического тока через газы описываются особой зависимостью силы тока от напряжения – вольт-амперной характеристикой.

Электрический ток в жидкостях — теория, электролиз

Рассмотрим развитие газового разряда на графике вольт-амперной зависимости. При повышении напряжения до некоторого значения U1 ток нарастает пропорционально ему, то есть выполняется закон Ома. Возрастает кинетическая энергия, а следовательно, и скорость зарядов в газе, и этот процесс опережает рекомбинацию. При значениях напряжения от U1 до U2 такое соотношение нарушается; при достижении U2 все носители зарядов достигают электродов, не успевая рекомбинировать. Все свободные заряды задействованы, и дальнейшее повышение напряжения не приводит к увеличению силы тока. Такой характер движения зарядов называется током насыщения. Таким образом, можно сказать, что электрический ток в газах обусловлен также особенностями поведения ионизированного газа в электрических полях различной напряженности.

Когда разность потенциалов на электродах достигает определенного значения U3, напряжение становится достаточным, чтобы электрическое поле вызвало лавинообразную ионизацию газа. Кинетической энергии свободных электронов уже хватает для ударной ионизации молекул. Скорость их при этом в большинстве газов составляет около 2000 км/с и выше (она рассчитывается по приближенной формуле v=600 Ui, где Ui – ионизационный потенциал). В этот момент происходит пробой газа и существенное возрастание тока за счет внутреннего источника ионизации. Поэтому такой разряд называется самостоятельным.

Наличие внешнего ионизатора в данном случае уже не играет роли для поддержания в газах электрического тока. Самостоятельный разряд в разных условиях и при различных характеристиках источника электрического поля может иметь те или иные особенности. Выделяют такие типы самостоятельного разряда, как тлеющий, искровой, дуговой и коронный. Мы рассмотрим, как ведет себя электрический ток в газах, кратко для каждого из этих типов.

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».Электрический ток в жидкостях — теория, электролизМежду электродами сварочного аппарата возникает дуговой разряд.Электрический ток в жидкостях — теория, электролиз Дуговой разряд горит в ртутных лампах — очень ярких источниках света.Электрический ток в жидкостях — теория, электролизЭлектрический ток в жидкостях — теория, электролизИскровой разряд наблюдаем в молниях. Здесь напряженность электрического поля достигает пробивного значения. Сила тока около 10 МА!Электрический ток в жидкостях — теория, электролизДля коронного разряда характерно свечение газа, образуя «корону», окружающую электрод. Коронный разряд — основной источник потерь энергии высоковольтных линий электропередачи.

Электрический ток в жидкостях — теория, электролиз

Формула вычисления

Рассматриваемая величина находится в обратной зависимости от размеров сечения (чем больше площадь, тем меньше плотность тока) и временного периода прохождения электрозаряда и в прямой – от величины этого заряда.

Это можно записать так:

j=Δq/ΔtΔS (q тут – элементарно малый заряд, t – бесконечно малый промежуток времени, а S – площадь сечения).

Так как токовая сила выражается как частное заряда и временного промежутка его прохода, формулу можно записать и так:

j= I/ΔS.

Формула плотности тока с опорой на параметры перемещающихся зарядов будет выглядеть так:

j=q*n*V (V тут – скорость, а n – концентрация электронных частиц).

Электрический ток в электролитах

Электролитами принято называть проводящие среды, в которых протекание электрического тока сопровождается переносом вещества. Носителями свободных зарядов в электролитах являются положительно и отрицательно заряженные ионы. К электролитам относятся многие соединения металлов в расплавленном состоянии, а также некоторые твердые вещества. Однако основными представителями электролитов, широко используемыми в технике, являются водные растворы неорганических кислот, солей и оснований.

Популярные статьи  Схема подключения видеоглазка

Прохождение электрического тока через электролит сопровождается выделением веществ на электродах. Это явление получило название электролиза.

Электрический ток в электролитах представляет собой перемещение ионов обоих знаков в противоположных направлениях. Положительные ионы движутся к отрицательному электроду (катоду), отрицательные ионы – к положительному электроду (аноду). Ионы обоих знаков появляются в водных растворах солей, кислот и щелочей в результате расщепления части нейтральных молекул. Это явление называется электролитической диссоциацией. Например, хлорид меди CuCl2 диссоциирует в водном растворе на ионы меди и хлора:

При подключении электродов к источнику тока ионы под действием электрического поля начинают упорядоченное движение: положительные ионы меди движутся к катоду, а отрицательно заряженные ионы хлора – к аноду (рис 1.15.1).

Достигнув катода, ионы меди нейтрализуются избыточными электронами катода и превращаются в нейтральные атомы, оседающие на катоде. Ионы хлора, достигнув анода, отдают по одному электрону. После этого нейтральные атомы хлора соединяются попарно и образуют молекулы хлора Cl2. Хлор выделяется на аноде в виде пузырьков.

Во многих случаях электролиз сопровождается вторичными реакциями продуктов разложения, выделяющихся на электродах, с материалом электродов или растворителей. Примером может служить электролиз водного раствора сульфата меди CuSO4 (медный купорос) в том случае, когда электроды, опущенные в электролит, изготовлены из меди.

Диссоциация молекул сульфата меди происходит по схеме

Нейтральные атомы меди отлагаются в виде твердого осадка на катоде. Таким путем можно получить химически чистую медь. Ион отдает аноду два электрона и превращается в нейтральный радикал SO4 вступает во вторичную реакцию с медным анодом:

SO4 + Cu = CuSO4.

Образовавшаяся молекула сульфата меди переходит в раствор.

Таким образом, при прохождении электрического тока через водный раствор сульфата меди происходит растворение медного анода и отложение меди на катоде. Концентрация раствора сульфата меди при этом не изменяется.

Электрический ток в жидкостях — теория, электролиз

Рисунок 1.15.1.

Электролиз водного раствора хлорида меди

Закон электролиза был экспериментально установлен английским физиком Майклом Фарадеем в 1833 году. Закон Фарадея определяет количества первичных продуктов, выделяющихся на электродах при электролизе:

Масса m вещества, выделившегося на электроде, прямо пропорциональна заряду Q, прошедшему через электролит:

m = kQ = kIt.

Величину k называют электрохимическим эквивалентом.

Масса выделившегося на электроде вещества равна массе всех ионов, пришедших к электроду:

Здесь m0 и q0 – масса и заряд одного иона, – число ионов, пришедших к электроду при прохождении через электролит заряда Q. Таким образом, электрохимический эквивалент k равен отношению массы m0 иона данного вещества к его заряду q0.

Так как заряд иона равен произведению валентности вещества n на элементарный заряд e (q0 = ne), то выражение для электрохимического эквивалента k можно записать в виде

Здесь NA – постоянная Авогадро, M = m0NA – молярная масса вещества, F = eNA – постоянная Фарадея.

F = eNA = 96485 Кл / моль.

Постоянная Фарадея численно равна заряду, который необходимо пропустить через электролит для выделения на электроде одного моля одновалентного вещества.

Закон Фарадея для электролиза приобретает вид:

Явление электролиза широко применяется в современном промышленном производстве.

В чем отличие полярного и неполярного?

Неполярные допускают включение конденсаторов в цепь без учета направления тока. Элементы применяются в фильтрах переменных источников питания, усилителях высокой частоты.

Полярные изделия подсоединяют в соответствии с маркировкой. При включении в обратном направлении прибор выйдет из строя или не будет нормально работать.

Полярные и неполярные конденсаторы большой и малой ёмкости отличаются конструкцией диэлектрика. В электролитических конденсаторах, если оксид наносится на 1 электрод или 1 сторону бумаги, пленки, то элемент будет полярным.

Модели неполярных электролитических конденсаторов, в конструкциях которых оксид металла нанесли симметрично на обе поверхности диэлектрика, включают в цепи с переменным током.

У полярных на корпусе присутствует маркировка положительного или отрицательного электрода.

Электрический ток в жидкостях

Как и твердые тела, жидкости могут быть диэлектриками и проводниками. Дистиллированная вода, например, — диэлектрик, а небольшое количество поваренной соли NaCl (тоже диэлектрик), добавленной в дистиллированную воду, делает ее проводником.

Объясняется это следующим образом. В дистиллированной воде концентрация свободных зарядов очень мала, поэтому она плохо проводит ток. Диэлектрическая проницаемость воды ε = 81, поэтому при растворении вещества в воде кулоновские силы взаимодействия ионов в молекуле соли уменьшаются. И энергии теплового (беспорядочного) движения частиц может хватить, чтобы молекула распалась на ионы Na+ и Cl–.

Распад молекул вещества на ионы при растворении его в жидкости называется электролитической диссоциацией.

Теория электролитической диссоциации была разработана в 1887 году немецким ученым Р. Клаузиусом и шведским химиком С. Аррениусом.

Молекулы различных веществ диссоциируют по-разному и могут распадаться на два или больше ионов. Характер диссоциации тесно связан с химическими свойствами вещества.

Например, при растворении в воде соли сульфата меди молекула CuSO4 диссоциирует на два иона: Cu2+ и SO42-:

\(~CuSO_4 \leftrightarrows Cu^{2+} + SO_4^{2-}.\)

При отсутствии внешнего электрического поля ионы находятся в тепловом хаотическом движении.

Ионы противоположного знака при встрече вновь могут образовать нейтральную молекулу. Этот процесс называется рекомбинацией ионов (процесс, обратный диссоциации). При неизменных условиях в растворе устанавливается динамическое равновесие, когда число молекул, распадающихся за секунду на ионы, равно числу пар ионов, которые за то же время вновь объединяются в нейтральные молекулы.

Популярные статьи  Автоматизированные системы управления металлорежущими станками

Степень диссоциации α определяется отношением числа распавшихся на ионы молекул к их общему числу. Степень диссоциации зависит от температуры, концентрации раствора и диэлектрической проницаемости растворителя. Так как с ростом температуры энергия теплового движения молекул увеличивается, то при этом степень диссоциации электролита возрастает и, следовательно, увеличивается концентрация положительно и отрицательно заряженных ионов.

Пусть в сосуд с раствором электролита помещены два электрода, представляющие собой металлические проводники, к которым присоединяем источник ЭДС. Электрод, подключенный к положительной клемме источника, называется анод, к отрицательной клемме — катод. В сосуде возникнет электрическое поле, и отрицательные ионы (анионы) начнут двигаться к аноду, а положительные (катионы) — к катоду (рис. 1). В результате в растворе электролита установится электрический ток.

Рис. 1

Термин «ион» в переводе с греческого означает «идущий». Отсюда произошли и названия «анион» — идущий к аноду, «катион» — идущий к катоду.

Электрический ток в жидкостях — это направленное движение ионов обоих знаков.

Поскольку перенос заряда в электролитах осуществляется ионами, такую проводимость называют ионной.

Однако некоторые жидкости могут обладать и электронной проводимостью. Такой проводимостью обладают, например, жидкие металлы.

Жидкости, которые проводят электрический ток, называются электролитами.

Для электролитов также справедлив закон Ома и закон Джоуля-Ленца.

При ионной проводимости прохождение тока связано с переносом вещества. На электродах происходит выделение веществ, входящих в состав электролитов. На аноде отрицательно заряженные ионы отдают свои лишние электроны (это называется окислительной реакцией), а на катоде положительные ионы получают недостающие электроны (восстановительная реакция). Отдав или получив электроны, ионы превращаются в нейтральные атомы. Эти атомы (или образованные из них молекулы) выделяются на электродах.

Образовавшиеся атомы могут вступить в реакцию с электродами или растворителем. Химические реакции, в которые вступают нейтрализовавшиеся ионы, называются вторичными.

Явление выделения на электродах веществ, при прохождении электрического тока через электролит, называют электролизом.

Необходимым условием электролиза является прохождение через электролит постоянного электрического тока.

Электролиз впервые наблюдался в 1800 г. У.Никольсоном и А. Карлейлем, разложившими воду постоянным током. Через 7 лет Г. Дэви при помощи электролиза выделил и открыл натрий.

Основные меры предосторожности

Все популярные вещества, способные проводить ток, созданы на основе щелочи или серной кислоты

Они могут стать причиной ожога, поэтому при обращении с ними важно предпринимать меры предосторожности. Среди правил обращения с такими опасными веществами главными являются следующие:

  • наличие в помещении нейтрализующих веществ, воды, аптечки;
  • для нейтрализации кислотного ожога необходим раствор соды, используется одна чайная ложка на стакан воды;
  • для нейтрализации щелочных ожогов применяется раствор борной кислоты, берется чайная ложка на стакан воды;
  • если агрессивное вещество попало в глаза, для его нейтрализации применяются растворы в два раза слабее;
  • если произошел ожог, сначала используется нейтрализующее вещество, а потом вода.

Важно при работе соблюдать все правила техники безопасности, чтобы избежать ожогов. Основные из них:

  • кислоту необходимо наливать в воду и ни в коем случае не наоборот;
  • при работе с твердой щелочью ее необходимо опускать в воду при помощи щипцов;
  • хранение в одном помещении или работа одновременно с кислотными и щелочными веществами запрещена.

Если при выполнении работ предполагается кипение вещества, оно будет сопровождаться выделением взрывоопасного и горючего газа – водорода. Соответственно, в помещении необходимо предусмотреть его отвод, взрывобезопасную проводку, защитить все электроприборы.

Хранение опасных веществ организовывают в пластиковых емкостях. Для работы с ними подходит фарфоровая, керамическая и стеклянная посуда.

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.

Электрический ток в жидкостях — теория, электролиз

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

Лампа, алюминиевая банка и пара приборов

Электрический ток в жидкостях — теория, электролиз

Рис. 1

Почти все, что нужно для изготовления экспериментальной установки, представлено на рисунке 1. Исследуемая жидкость находится в цилиндрической кювете, боковая поверхность которой (К

) диаметром 75 мм и высотой 45 мм изготовлена из алюминия. Это — один электрод фотоэлектрического прибора. Из того же материала изготовлен второй цилиндрический электрод (к ) диаметром 10 мм и высотой 45 мм. Раз изучается влияние света от лампы (Л ) на жидкость, то необходимо избежать попадания света на поверхность металлических электродов. Для этого служат два экрана (Э ) и (э ), изготовленные из светонепроницаемого пластика. Высоты экранов одинаковы и составляют 40 мм, внутренний диаметр большого экрана 40 мм, внешний диаметр малого экрана 20 мм. Выбор алюминия в качестве электродов обусловлен тем, что толщина переходного слоя «алюминий — вода» обладает чрезвычайно большой электрической емкостью, и есть надежда, что процесс экспозиции удастся растянуть во времени. В качестве рабочей жидкости, как предполагается, играющей самое активное участие в формировании фотоэлектрического эффекта, лучше всего использовать дистиллированную воду. Почему? Воды в природе очень много — это раз. Есть надежда избежать помех, обусловленных химическими процессами, — это два.

Популярные статьи  Готовые солнечные электростанции для дома и дачи

Между источником света (Л

) и кюветой с исследуемой жидкостью находится поглотитель (П ) — чтобы избавиться от нагрева жидкости лампой. Источником света может быть практически любая энергосберегающая лампа, например лампа Е27-9W/C:4000 К. Выбор поглотителя достаточно очевиден — это слой воды высотой полтора сантиметра, налитой в тонкостенную кювету. Есть надежда, что инфракрасное излучение от лампы таким поглотителем будет подавлено полностью. В перспективе поглотитель можно заменить светофильтром, если потребуются спектрометрические измерения.

На входе установлено фотосопротивление (ФС

), позволяющее однозначно судить об освещенности поверхности исследуемой жидкости. Нужны еще два прибора. Один из них измеряет падение напряжения на сопротивлении нагрузки (R = 15 кОм), а второй измеряет сопротивление фоторезистора.

Электролиз в промышленности

Принцип разделения веществ с помощью электричества не сложен и хорошо изучен, поэтому много где применяется. В результате разложения получаются различные химических вещества (металлы, щелочи, газы) в чистом виде, производится синтез органических частиц и неорганического материала, очистка сточных вод, разряжаются аккумуляторы, защищаются от коррозии и других негативных воздействий поверхности техники, инструментов и предметов быта.

Применение электролиза в технике, благодаря способности катода осаждать на себе молекулы химических элементов, позволяет создавать прочные бесшовные трубы, надежное защитное покрытие для металлических поверхностей, ювелирные украшения, точные слепки со сложных форм.

Добыча металлов

Электролиз расплавов эффективно используется при выделении из руды или солей активных металлов вроде алюминия, калия, бериллия или натрия.

В емкости, где проходит электролиз, катодом является дно, покрытое слоем углерода, а анодом – инертный углеродный стержень. В результате этой реакции продукт электролиза – чистый алюминий – скапливается на дне и сливается через специальные отверстия.

Электрический ток в жидкостях — теория, электролиз

Электрометаллургия

Добыча металлов в электрометаллургии производится двумя видами процессов – электротермическими и электрохимическими. В первом случае выделение из руд и концентратов чистого вещества или образования сплава достигается за счет использования электричества как источника тепловой энергии. Во втором случае производство металла основывается на принципах электрохимического взаимодействия веществ.

Процесс рафинирование – это очистка меди

Чтобы получить очень чистую, рафинированную медь, в качестве электродов используются стержни или пластины из уже очищенного и с примесями металла и электролита – раствора сульфата меди.

Молекулы меди осаждаются на чистом катоде, а примеси выпадают на дно емкости в виде осадка. Таким же способом очищают золото, серебро и другие цветные металлы.

Гальванопластика

С помощью нанесения на исходный предмет равномерного металлического слоя возможно создать неограниченное число его копий. Для этого с оригинала снимается слепок и покрывается слоем электропроводящего вещества. Таким образом делаются слепки со сложных поверхностей, украшения и многого другого.

Электрический ток в жидкостях — теория, электролиз

Гальванополировка

Если он заряжен положительно, то в процессе электролиза быстрее всего теряет выступающие электроны и таким способом становится более гладким, то есть полируется.

Анодирование

Защитное покрытие поверхности металла в этом случае выполняется за счет неметаллических соединений и серной кислоты.

Сфера применения технологии остаточно широка, ее принципы давно использовались даже в домашних условиях

Но очень важно тщательно соблюдать технику безопасности

Электрический ток в жидкостях — теория, электролиз

Гальваническое покрытие

Электролизом можно нанести тонкий равномерный слой металла на поверхность предметов с целью сделать ее менее активной, защитить от негативных влияний, украсить, повысить или понизить электропроводимость.

В зависимости от дальнейшего предназначения гальванизируемого предмета его таким способом покрывают цветными и драгоценными металлами.

Формирование электрического тока в жидкостях

Несмотря на то, что процесс проводимости электрического тока осуществляется посредством металлических приборов (проводников), ток в жидкостях лежит в зависимости от движения заряженных ионов, которые приобрели или потеряли по некой определенной причине подобные атомы и молекулы. Показателем такого движения выступает изменение свойств определенного вещества, где проходят ионы. Таким образом, нужно опираться на основное определение электрического тока, чтобы сформировать специфическое понятие формирования тока в различных жидкостях. Определено, что разложение отрицательно заряженных ионов способствует движению в область источника тока с положительными значениями. Положительно заряженные ионы в таких процессах будут двигаться в противоположном направлении – к отрицательному источнику тока.

Готовые работы на аналогичную тему

  • Курсовая работа Электрический ток в жидкостях 460 руб.
  • Реферат Электрический ток в жидкостях 220 руб.
  • Контрольная работа Электрический ток в жидкостях 190 руб.

Получить выполненную работу или консультацию специалиста по вашему учебному проекту Узнать стоимость Жидкие проводники делятся на три основных типа:

  • полупроводники;
  • диэлектрики;
  • проводники.

Определение 1

Электролитическая диссоциация — процесс разложения молекул определенного раствора на отрицательные и положительные заряженные ионы.

Можно установить, что электроток в жидкостях может возникать после изменения состава и химического свойства используемых жидкостей. Это напрочь противоречит теории распространения электрического тока иными способами при использовании обычного металлического проводника.

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Денис Серебряков/ автор статьи
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: