Электрический ток в различных средах

 

РЕФЕРАТ

 

 

На тему: Электрический ток в  различных средах.

 

 

                

 

                

 

                 

 

 

                                                                  

                                                                  

 

 

 

 

 

Карпов

Георгий

Викторович 
Содержание

стр.

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

 

Введение.

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.

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:

H₂SO₄      2H⁺ + SO₄^{- -},

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:

H₂O       H⁺ + OH^-.

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:

H₂SO₄       2H⁺ + SO₄^--,

4H₂O       4H⁺ + 4OH^-.

На катоде выделяется газообразный водород:

4H⁺ + 4e = 2H₂,

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

I =

где R – сопротивление электролита, равное

R = ρ

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:

m = k q,      (1)

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

m = k I t.

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 m_B и m_C равна половине массы m_A, 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:

k = C

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.