Электрический ток в различных средах

 

 

1. Введение

 

   Если соединить проволокой  два проводника, между которыми  была создана разность потенциалов, то потенциалы будут выравниваться, при этом заряды на проводниках  перераспределяются, а в соединительной  проволоке происходит направленное перемещение зарядов, называемые током. Ток под действием приложений разности потенциалов возникает в любой среде, где имеются свободные электроны.

   В зависимости от вида  и природы зарядоносителей проводимость  бывает электронной, ионной и дырочной.

  Электронной проводимостью  обладают металлы. Существует такая  проводимость и в верхних слоях  атмосферы, где плотность вещества  невелика, благодаря чему электроны  могут свободно перемещаться, не  соединяясь с положительно заряженными  ионами.

   Жидкие электроны обладают  ионной проводимостью. Ионы, являющиеся  зарядоносителями, при движении  перемещают вещество, в результате  чего происходит выделение его  на электродах.

   Возможен механизм проводимости, обусловленный разрывом валентной  связи, приводящим к появлению вакантного места с отсутствующей связью. Такое «пустые» место с отсутствующими электронами связи получило название - дырка. 

   Возникновение дырки в  кристалле проводника создаёт  дополнительную возможность для  переноса заряда. Этот процесс, сопровождающийся перемещением электронов, получил название дырочной проводимостью.

Плазма, под которой понимается газ, имеющий концентрацию зарядоносителей, намного превышающую незаряженных частиц, обладает электронной и ионной проводимостью.

 

2.Ток в жидкостях.

 

   Происхождение электрического  тока (движение электрических зарядов) через раствор существенно отличается  от движения электрических зарядов  по металлическому проводнику.

   Различие, прежде всего в  том, что зарядоносителями в растворах  являются не электроны, а ионы, т.е. сами атомы или молекулы, потерявшие или захватившие один или несколько электронов.

   Естественно, это движение, так или иначе, сопровождается  изменением свойств самого вещества.

   Рассмотрим электрическую  цепь, элементом которой является сосуд с раствором поваренной соли и с вставленными в него электродами любой формы из пластины. При подключении к источнику питания в цепи появляется ток, представляющий собой в растворе движение тяжелых заряженных частиц – ионов. Появление ионов уже означает возможность химического разложения раствора на два основных элемента – Na и Cl. Натрий, потерявший электрон, представляет собой положительно заряженный ион, движущийся к электроду, который подключен к отрицательному полюсу источника питания, электрической цепи. Хлор, «узурпировавший» электрон, представляет собой отрицательный ион.

Отрицательные ионы хлора движутся к электроду, который подключен к положительному полюсу источника питания эл. цепи.

Образование положительных и отрицательных ионов происходит вследствие самопроизвольного распада молекулы поваренной соли в водном растворе (электролитическая диссоциация). Движение ионов обусловлено напряжением, поданным на электроды, опущенные в раствор. Достигнув электродов, ионы забирают или отдают электроны, образуя соответственно молекулы Cl и Na. Подобные явления наблюдаются в растворах многих других веществ. Молекулы этих веществ, подобно молекулам поваренной соли, состоят из противоположно заряженных ионов, на которые они и распадаются в растворах. Количество распавшихся молекул, точнее, число ионов, характеризует электрическое сопротивление раствора.

   Ещё раз подчеркнём, что  происхождение электрического тока  по цепи, элементом которой является  раствор, вызывает перемещение вещества  этого элемента электрической цепи, и, следовательно, изменение его химический свойств, в то время,  как при прохождении электрического тока по металлическому проводнику никаких изменений в проводнике не происходит.

   От чего зависит количество  вещества, выделяющегося при электролизе на электродах? Впервые на этот вопрос ответил Фарадей. Фарадей показал экспериментально, что масса выделяемого вещества связана с силой тока и временем его протекания t соотношением (закон Фарадея):

 

M = kq

 

   Масса выделяющегося вещества при электролизе вещества прямо пропорциональна количеству прошедшего через электролит электричества и не зависит от других причин, кроме рода вещества.

   Указанную закономерность  можно проверить на следующих  опытах. Нальём в несколько ванн  один и тот же электролит, но разной концентрации. Опустим в ванны электроды, имеющие разную площадь, и расположим их в ванных на разных расстояниях. Соединим все ванны последовательно и пропустим через них ток. Тогда через каждую из ванн, очевидно, пройдёт одинаковое количество электричества. Взвесив катоды до и после опыта, мы обнаружим, что на всех катодах выделилось одинаковое количество вещества. Соединив все ванны параллельно и пропустив через них ток, можно убедиться, что количество вещества, выделившегося на катодах, прямо пропорционально количеству электричества, прошедшему через каждую из них. Наконец, соединив последовательно ванны с различными электролитами, легко установить, что количество выделившегося вещества зависит от рода этого вещества.

  Величина, характеризующая зависимость количества выделяющегося при электролизе вещества от его рода, называется электрохимическим эквивалентом и обозначается буквой к.

   Электрохимический эквивалент  вещества измеряется массой вещества, выделяющегося на электроде при прохождении через электролит единицы количества электричества,

 

 

 

 

 

Масса вещества, выделяющегося при электролизе, представляет собой общую массу всех разрядившихся на электроде ионов. Подвергая электролизу разные соли, можно на опыте установить количество электричества, которое должно пройти через электролит, чтобы выделился один килограмм – эквивалент данного вещества. Такие опыты впервые проделал Фарадей. Он нашел, что для выделения одного килограмм – эквивалента любого вещества при электролизе требуется одинаковые количества электричества, равные 9,65·107 к.

  Количество электричества, необходимое  для выделения при электролизе  килограмм – эквивалента вещества, называется числом Фарадея и  обозначается буквой F:

F = 9,65·107 к.

 

   В электролите ион оказывается окруженным молекулами растворителя (воды), обладающими значительными дипольными моментами. Взаимодействуя с ионом, дипольные молекулы поворачиваются к нему своими концами, имеющими заряд, знак которого противоположен заряду иона, поэтому упорядочное движение иона в электрическом поле затрудняется, и подвижность ионов значительно уступает подвижности электронов проводимости в металле. Так как и концентрация ионов обычно не велика по сравнению с концентрацией электронов в металле, то электрическая проводимость у электролитов всегда существенно меньше электрической проводимости металлов.  

  Вследствие сильного нагревания  током в электролитах достижимы  лишь незначительные плотности  тока, т.е. небольшие напряженности  электрического поля. При повышении  температуры электролита упорядоченная ориентация диполей растворителя ухудшается под влиянием усилившегося беспорядочного движения молекул, поэтому дипольная оболочка частично разрушается, подвижность ионов и проводимость раствора увеличивается. Зависимость удельной электрической проводимости от концентрации при неизменной температуре сложна. Если растворение возможно в любых пропорциях, то при некоторой концентрации электрическая проводимость имеет максимум. Причина этого такова: вероятность распада молекул на ионы пропорциональна числу молекул растворителя и числу молекул растворимого вещества в единице объёма. Но возможен и обратный процесс: (рекомбинация ионов в молекулы), вероятность которого пропорциональна квадрату числа пар ионов. Наконец, электрическая проводимость пропорциональна числу пар ионов в единице объёма. Поэтому, при малых концентрациях диссоциация полная, но общее число ионов мало. При очень больших концентрациях диссоциация слабая и число ионов также невелико. Если растворимость вещества ограничена, то обычно максимума электрической проводимости не наблюдается. При замораживании вязкость водного раствора резко возрастает, подвижность ионов резко уменьшается, и удельная электрическая проводимость падает в тысячу раз. При затвердевании же жидких металлов подвижность электронов и удельная электрическая проводимость почти не изменяется.

  Электролиз широко применяется  в различных электрохимических  производствах. Важнейшие из них: электролитическое получение металлов  из водных растворов их солей и из их расплавленных солей; электролиз хлористых солей; электролитическое окисление и восстановление; получение водорода электролизом; гальваностегия; гальванопластика; электрополировка. Методом рафинирования получают чистый металл, очищенный от примесей. Гальваностегия – покрытие металлических предметов другим слоем металла. Гальванопластикой – получение металлических копий с рельефных изображений каких-либо поверхностей. Электрополировка – выравнивание металлических поверхностей.

 

Литература:

1. Электричество С.Г. Калашников

Москва 1977г.

2.Лекции по эл. свойствам материалов

издательство «Мир» 1991г.

2. Электричество и человек

В.Е.Манойлов. 1988г. стр. 15   

3.Диэлектрики.

 

   Поляризация – важнейшая  характеристика диэлектрика. В зависимости  от того, преобладает ли движение свободных зарядов, или происходит поляризация, вещества делятся на два класса – проводники и диэлектрики. В диэлектриках положительные и отрицательные заряды связаны друг с другом и не могут смещаться только в пределах одной молекулы (по-другому сказать, у диэлектриков целиком заполнена энергетическая зона). При отсутствии воздействия внешнего электрического поля заряды разных знаков распределены по объёму  диэлектрика равномерно. Под действием внешнего поля заряды, входящие в каждую молекулу, смещаются в противоположных направлениях. Это смещение проявляется в виде появления зарядов на поверхности диэлектрика, помещенного в электрическое поле, - поляризация. Поляризация протекает по-разному, в зависимости от вида химической связи в веществе диэлектрика. Так, например, в алмазе химическая связь ковалентная, и поляризация происходит лишь благодаря деформации электронных атомных оболочек в электрическом поле. В ионных кристаллах, таких, как каменная соль, в электрическом поле сдвигаются относительно друг друга ионы. В них происходит и деформация электронных оболочек, но это явление вносит незначительный вклад в полную поляризацию ионного кристалла по сравнению с вкладом ионов. Удельное сопротивление выше удельного сопротивления проводников.       

  Использование.

  Используются для изоляции элементов  электротехнических устройств. В  квантовой электронике из диэлектрических  материалов изготавливают основные  элементы квантовых генераторов; широко используются в оптике. Использование в конденсаторах.

Справочник для школьника. Физика.

Стр. 231-233

4.Ток в металлах и  проводниках. 

 

  Экспериментально показано, что  в металлах ионы не принимают  участия в перенесении электрических  зарядов, так как в противном  случае электрический ток обязательно  сопровождался бы переносом материала, что не наблюдалась. В опытах с инерцией электронов было установлено, что электрический ток в металлах обусловлен упорядоченным движением свободных электронов.

  Если внутри металла нет  электрического тока, то электроны проводимости совершают беспорядочное движение (тепловое): в каждый момент времени они имеют неодинаковые скорости и различные направления.

    Суммарный заряд, проходящий  через любую площадку внутри  металла, в отсутствие внешнего  поля равен нулю. Если к концам проводника присоединить разность потенциалов, т.е. создать внутри проводника поле напряженностью Э, то на каждый электрон будет действовать сила, направленная противоположно полю. В результате возникает электрический ток. На основании представлений об электрическом газе легко объясняется большая теплопроводимость металлов. В самом деле, свободные электроны, участвуя в тепловом движении и обладая большой подвижностью, будут способствовать выравниванию различий в температуре тела.

  В металлах концентрация электронов проводимости почти не зависит от  температуры. Существует группа материалов, в которых электрический ток также обусловлен перемещением свободных электронов, однако концентрация этих электронов зависит от температуры: удельное сопротивление таких материалов при понижении температуры сильно возрастает, а при повышении температуры – значительно уменьшается. Такие материалы являются электронными проводниками. К полупроводником относятся: кремний, германий, селен и многие соединения металлов с серой, селеном, теллуром, а также некоторые органические соединения. В полупроводниках, как и  в металлах, при прохождении тока не происходит никаких химических изменений. Это свидетельствует о том, что ионы не принимают участия в перенесении зарядов.

  Для того чтобы увеличить концентрацию свободных электронов в полупроводниках, необходимо затратить некоторую энергию для отрыва связанных электронов. Её называют энергией ионизации. При повышении температуры увеличивается количество электронов с тепловой энергией, превышающей, т.е. растёт доля свободных электронов.

Справочник для школьника. Физика.

Стр. 239

Словарь юного физика.

Стр. 241-242

 

5.Сверхпроводники.

 

  Нидерландский ученый Г. Камерлинг-Оннес в 1911 году, исследуя электропроводимость ртути при очень низких температурах, обнаружил явление сверхпроводимости. Оно состоит в том, что вблизи абсолютного нуля температура сопротивления ртути, свинца, цинка, алюминия и некоторых других чистых металлов и сплавов скачком уменьшается до нуля. Ток, возникший в замкнутом сверхпроводящем кольце, не исчезает в течение многих часов. Однако в сильных магнитных полях сверхпроводимость разрушается. При переходе в сверхпроводящее состояние основные механические и оптические свойства, а также коэффициент теплового расширения не изменяются.