Электрический ток в различных средах

Оба закона Фарадея можно объяснить. Заменив в формуле (1) электрохимический эквивалент k согласно (2):

m = C         q,

а           - величиной F (           = F), называемой числом Фарадея; получим окончательно

m =                      (5)

Если в выражении (5) объединённого закона Фарадея положить q = F, то m =     Следовательно, число Фарадея равно электрическому заряду, который должен пройти через электролит для выделения на электроде количества веществ, равного его химическому эквиваленту (одному грамм-эквиваленту).

Опытным путём установлено, что

F = 96 500 к/г-экв

Из законов Фарадея следует, что подобно тому, как вещество построено из отдельных атомов, электричество состоит из элементарных зарядов. Для выделения на электроде одного грамм-эквивалента вещества через электролит должен пройти электрический заряд, равный числу Фарадея. В одном грамм-атоме одновалентного вещества содержится NA атомов (NA – число Авогадро). Поэтому на каждый ион одновалентного вещества приходится заряд

q =          .

Оказалось, что числено заряд q0 одновалентного иона в точности равен заряду с электрона:

q0 = e =             =                     k = 1.6 · 10-19 k = 4.8 · 10-10 СГСЭq

 

3. Электрический ток в газах.

3.1. Ионизация газов. Газовый разряд.

Газы в нормальном состоянии являются изоляторами. Газ становится проводником, когда он ионизирован. Ионизаторами газа могут служить ультрафиолетовые лучи, радиоактивные излучения, лучи Рентгена, нагревание до высокой температуры. Например, если поместить вблизи заряженного электрометра пламя горелки, то воздух вокруг него теряет свойства изолятора, и заряд электрометра уменьшается. Проводимость газа, созданная внешними ионизаторами, но не связанная с электрическим полем, называется несамостоятельной проводимостью.

Электроны и положительные ионы, возникшие во время действия ионизатора, не могут долго существовать раздельно и воссоединяются, образуя нейтральные ионы. Присоединим два плоских электрода A и K к полюсам источника ЭДС E (батареи аккумуляторов). Включим в цепь гальванометр G для измерения силы тока и параллельно воздушному промежутку АК вольтметр V (рис.5). Если поместить вблизи этого воздушного промежутка какой-либо ионизатор D, то в цепи возникнет электрический ток. Когда действие ионизатора прекращается, ток исчезает. Рекомбинация (воссоединение) ионов происходит и во время действия ионизатора, причём устанавливается такое равновесие между возникающими и рекомбинирующими ионами, что число пар ионов в единице объёма газа постоянным.

Электрический ток в газе с несамостоятельной проводимостью называется несамостоятельным газовым разрядом. График зависимости разрядного тока от разности потенциалов между электродами A и K (см. рис.5) при неизменной интенсивности ионизации изображён на рис. 6. При постепенном увеличении разности потенциалов φА – φК сила тока сначала растёт пропорционально φА – φК, т.е. соблюдается закон Ома (участок Оа кривой на рис. 6), затем пропорциональность нарушается (участок ab кривой) и, начиная с некоторого значения φА – φК, сила тока остаётся постоянной несмотря на увеличение разности потенциалов (участок bc). Наибольшая сила тока, возможная при данной интенсивности ионизации, называется током насыщенности Iн. При токе насыщения все возникающие ионы достигают электродов, не успев рекомбинировать.

Обратимся к последней части cd графика (см. рис. 6). При достаточно больших разностях потенциалов между электродами кинетическая энергия электронов возрастает настолько, что при соударениях со встречными молекулами газа электроны ионизируют их. Это явление называется ударной ионизацией молекул газа. Освобождённые при ударной ионизации электроны ускоряются в электрическом поле и в свою очередь ионизируют сталкивающиеся с ними молекулы газа. Число электронов и ионов в газе растёт, как лавина, а вместе с ним растёт и разрядный ток. При ещё больших разностях потенциалов ударную ионизацию начинают производить и ионы. Теперь к обоим электродам движутся лавины: к катоду – положительная ионная, а к аноду – электронная. Эти встречные лавины, возникновение которых зависит лишь от величины электрического поля, проложенного к газовому промежутку АК, обусловливают так называемую самостоятельную проводимость газа. Участок cd графика характеризует самостоятельный газовый разряд, который может существовать при отсутствии внешнего ионизатора.

 

3.2. Электрическая дуга и электрическая  искра.

Самостоятельные (лавинообразные) разряды могут происходить в газах при нормальном и больших давлениях. Особое значение для техники имеют дуговой и искровой разряды.

Электрическая дуга была открыта в 1802 г. русским физиком В. В. Петровым, который назвал её вольтовой дугой. Два угольных стержня, соединённые с источником ЭДС, приводят в соприкосновение: таким образом замыкается электрическая цепь (рис. 7). В месте контакта углей электрическое сопротивление очень велико. Поэтому здесь выделяется большое количество теплоты, и концы углей раскаляются. Угли постепенно раздвигают, в нагретом воздухе между ними происходит ударная ионизация и начинается лавинообразный газовый разряд. Он имеет дугообразную форму и излучает яркий свет. Температура катода достигает 3000°С. Летящие к аноду электроны ударяются о него и создают в нём углубление – кратер, температура которого 4000°С. Сопротивление электрической дуги невелико, поэтому дуговой разряд возможен при разности потенциалов между угольными электродами около 40 – 50 в. Яркий свет угольной дуги был впервые применён П. Н. Яблочковым в 1876 г. для электрического освещения. Электрическая дуга и в настоящее время используется как мощный источник света в прожекторах и кинопроекционных аппаратах, а её высокая температура – для сварки и в дуговых печах для плавки металлов.

Электрической искрой называют прерывистый лавинообразный разряд в газе, сопровождающийся треском и ярким свечением. Возникшая искра быстро, гаснет вместо неё через несколько тысячных долей секунды образуется новая и т.д., так что глаз видит одну сплошную искру. Температура в искре поднимается до 100 000°С. Если промежуток между электродами невелик, то искровой разряд вызывает разрушение металла, называемое эрозией. Это явление используют, применяя электрическую искру для резки и сверления металлов.

Во время грозы наблюдается искровой разряд в виде молнии, возникающей между тучей и Землёй или между двумя тучами. Чаще всего нижняя часть тучи заряжена отрицательно, верхняя – положительно. На поверхности холмов, высоких зданий, деревьев, которые находятся под тучей, индуцируется положительный заряд. Если напряжённость электрического поля (разность потенциалов, приходящаяся на единицу расстояния) между отрицательным зарядом тучи и положительным зарядом Земли достигает достаточно большой величины, то происходит искровой разряд. Молния, как вообще электрическая искра, выбирает путь с наименьшим электрическим сопротивлением и проходит по областям, содержащим наибольшее количество ионов. Поэтому молния имеет зигзагообразную форму. Сила тока в молнии достигает сотен тысяч ампер, её длительность порядка 10-5 сек, разность потенциалов между тучей и Землёй иногда превышает 150 · 106 в, а длина молнии может измеряться десятками километров. Защитой от молнии является хорошо заземлённое здание с металлическим каркасом или молниеотвод – металлический стержень, один конец которого поднят над зданием, а другой конец заземлён.

3.3. Электрический ток в разрежённых газах. Катодные лучи.

Разрежённые газы обладают во много раз большей проводимостью, чем газы при нормальном давлении. Это объясняется тем, что при низком давлении длина свободного пробега частиц велика. Поэтому даже в слабых электрических полях электроны и ионы успевают накопить кинетическую энергию, достаточную для ионизации молекул при столкновении с ними.

Рассмотрим так называемый тлеющий разряд в воздухе. Возьмём длинную стеклянную трубку с впаянными в её концы электродами и соединим её полость через ответвление и резиновую трубку с насосом. Если электроды соединить с источником высокого напряжения, например с индукционной катушкой, при атмосферном давлении в трубке, то тока в трубке не будет. Если же начать выкачивать из неё воздух насосом, то вскоре между электродами протянутся светящиеся лиловатые нити, что указывает на возникновение электрического тока. По мере откачки воздуха свечение заполняет постепенно почти всю трубку. Различают следующие части разряда: прилегающие к катоду так называемое катодное тёмное пространство 1, за которым расположено бледно-синее тлеющее свечение 2; далее идёт тёмное пространство Фарадея 3 и бледно-красное свечение, называемое положительным столбом 4. Положительный столб при некоторых условиях становится слоистым: в нём чередуются светлые и тёмные полосы, называемые стратами. Цвет положительного свечения зависит от природы газа, например свечение неона красное, аргона – синее и т.д. Главными частями разряда являются катодное тёмное пространство и тлеющее свечение, в которых происходят основные процессы, поддерживающие разряд и без которых он не может существовать.

Положительные ионы, скорость которых сильно увеличивалась под действием электрического поля в катодном тёмном пространстве, ударяются о катод и выбивают из него электроны. Электроны, ускоренные электрическим полем, а также возникшие при ионизации молекул газа в катодном тёмном пространстве, поступают область тлеющего свечения, в которой находится очень большое число положительных ионов и электронов. Здесь большая часть ионов и электронов воссоединяется в нейтральные молекулы, причём энергия, затраченная ранее на ионизацию, выделяется в виде световой энергии. Положительный столб представляет собой так называемую плазму, в которой общий заряд всех электронов и всех ионов равен нулю.

Тлеющий разряд используется в газосветных трубках, применяемых в световых рекламах, а также в так называемых лампах дневного света. Лампы дневного света представляют собой газосветные трубки, стенки которых покрыты люминофором, т.е. особым составом, светящимся под действием газового разряда.

Катодные лучи. При очень больших разрежениях газа его давление так мало, что молекулы газа движутся от одной стенки сосуда до другой без соударений. Такое состояние газа называется вакуумом. Если в разрядной трубке создан вакуум, то и электроны могут двигаться  в нём практически без столкновений с молекулами. Поэтому частицы газа перестают испускать свет, разряд становится темновым. Зато стекло трубки против катода светится зеленоватым светом. Что же происходит в трубке? Под действием сил электрического поля положительные ионы мчатся к катоду с очень большой скоростью, ударяются о него и выбивают из него электроны. Поток электронов, масса которых в тысячи раз меньше массы ионов, с огромной скоростью летит от катода. Скорость, которую приобретают электроны на своём пути от катода, так велика, что они движутся прямолинейно, перпендикулярно к поверхности катода независимо от того, где расположен анод. Часть электронов попадает на анод, а остальные ударяются о стекло трубки против катода и вызывают люминесценцию стекла. Если на пути электронов расположить экран, то на светящемся стекле будет видна тень экрана.

Этот поток электронов был назван катодными лучами, потому что он на первый взгляд похож на световые лучи. Однако ряд свойств катодных лучей доказывает их электронную природу. Катодные лучи отклоняются в электрическом поле. Например, узкий пучок катодных лучей, прошедших сквозь щель в диафрагме, проходя между пластинами плоского конденсатора, отклоняется в сторону положительно заряженной пластины. Катодные лучи отклоняются и в магнитном поле, тогда как на направление световых лучей ни электрическое, ни магнитное поле не действуют.

Большой интерес представляет собой четвёртое – плазменное – состояние вещества. Усиленное хаотическое тепловое движение электронов и ионов в плазме приводит к её нагреванию до очень высоких температур. Для того чтобы частицы шнура плазмы не касались стенок сосуда и не отдавали им свою энергию, плазму сжимают. Для этого используется внешнее магнитное поле, в котором заряженные частицы шнура плазмы движутся по спиралям.

Физика плазмы занимается широким кругом вопросов – от космических масштабов до атомной физики. Солнце и все звёзды состоят из плазмы. Внутри них в горячей плазме происходят термоядерные реакции. Межзвёздное пространство заполнено плазмой газовых туманностей. Плазма может быть применена для осуществления управляемой реакции синтеза лёгких ядер – дейтерия и трития. Реакция синтеза является источником энергии звёзд и водородной бомбы. Для её возникновения нужна температура порядка 100 млн. градусов, которую можно получить при помощи плазмы. Использовать очень горячую плазму возможно в ракетной технике. Полезный вес ракеты составляет тем большую часть от её общего веса, чем больше скорость истечения газа, а эта скорость тем больше, чем выше температура газа. При высоких температурах газ ионизируется и превращается в плазму. В устройстве, называемом плазмотроном, газ, нагретый до десятков тысяч градусов, отделяется от стенок для их защиты струёй втекающего холодного газа.

Одним из применений катодных лучей является катодное распыление, т.е. разрушение поверхности катода под действием ударяющихся о него положительных ионов. Катодное распыление используется для покрытия тонким слоем металла стеклянных зеркал для различных физических приборов, селеновых фотоэлементов и др.

 

Список литературы

1. Повторим физику. Учеб. пособие для поступающих в вузы. М., «Высшая школа», 1997.
2. Краткий справочник школьника, 5 – 11 кл. / Авт.-сост. П. И. Алтынов, П. А. Андреев, А. Б. Балжи и др. – М.: Дрофа, 1997.
3. Физика: Учеб. для 10 кл. сред. Шк. / Н. М. Шахмаев, С. Н. Шахмаев , Д. Ш. Шодиев. – 2-е изд. – М.: Просвещение, 1992.

 

 

Приложение

Вещество	Атомный вес А	Валентность Z	Электрохимический эквивалент k (мг/к)
Серебро…………. Медь…………….. Никель…………... Алюминий……… Хлор…………….. Кислород……….. Водород…………	107,9 63,6 58,7 27,1 35,5 16,0 1,008	1 2 2 3 1 2 1	1,118 0,328 0,304 0,094 0,367 0,0829 0,0104