24794-1 (Электрический ток в неметаллах)

Министерство общего и профессионального образования

РФ Каменск – Уральский

Филиал Уральского Государственного технического Университета

Кафедра физики

Реферат на тему: «Электрический ток в неметаллах»

Каменск – Уральский

2002

Содержание

Электролиты. Электролиз.

Законы электролиза

Электролиты - вещества, растворы или расплавы которых проводят электрический ток. Электролиты - класс проводников, в которых электрический ток всегда сопровождается их химическими изменениями. К электролитам относят, например, растворы солей, кислот и щелочей. Электролитами также являются в ряде случаев расплавы каких-либо веществ или соединений.

Электролиз - выделение вещества на электродах при прохождении через раствор (электролит) электрического тока.

Законы электролиза.

Законы электролитической проводимости были экспериментально установлены Фарадеем в 1836 г. этих законов два.

Первый закон Фарадея относится к связи между количеством выделившегося вещества на электроде, силой тока и временем прохождения тока через электролит. Этот закон имеет следующий смысл: масса выделившегося на электроде вещества M пропорциональна силе тока I и временем его прохождения через электролит t.

,

где k-коэффициент пропорциональности, зависящий только от рода выделившегося вещества и электролита.

Произведение силы тока I на время t представляет собой количество вещества Q, прошедшее через электролит:

It=Q,

откуда первому закону Фарадея можно придать вид:

M=kQ,

т.е. масса выделившегося вещества M пропорциональна прошедшему через электролит количеству электричества Q. Коэффициент k называется электрохимическим эквивалентом выделяемого вещества.

Так как при Q=1 численно имеем:

M=k,

то, следовательно, электрохимический эквивалент численно равен массе вещества, выделившегося при прохождении через электролит единицы количества вещества.

Второй закон Фарадея определяет величину электрохимического эквивалента k.

Химическим эквивалентом элемента называется безразмерная величина, численно равная массе данного элемента, выраженная в граммах, которая замещает в химических соединениях 1,0078 г водорода.

Второй закон Фарадея состоит в том, что электрохимические эквиваленты элементов пропорциональны их химическим эквивалентам.

,

где А – атомный вес вещества

п – его валентность

С – коэффициент пропорциональности, одинаковый для всех элементов.

Обычно вместо коэффициента С вводят величину, обратную:

тогда второй закон Фарадея примет вид:

Величина F называется числом Фарадея. Подставляя значение электрохимического эквивалента k из этой формулы в выражение для первого закона Фарадея, получим формулу, объединяющую оба закона Фарадея:

отсюда следует, что если выделяется один грамм-эквивалент вещества, т.е. масса М, численно равная А/п, то Q должно численно равняться F.

Таким образом, число Фарадея F численно равно количеству электричества Q, при прохождении которого через электролит на электроде выделяется один грамм-эквивалент вещества.

1.2. Применение электролиза

Как известно, два одинаковых металлических электрода, погруженных в электролит, после прохождения через них электрического тока поляризуются и образуют гальванический элемент, который сам некоторое время может служить источником электрического тока. Таким образом, создавая систему из двух одинаковых проводников первого рода (электролита), мы получим аккумулятор.

Однако чтобы аккумулятор оказался практически ценным, он должен удовлетворять двум условиям:

а) поляризация электродов должна быть устойчива,

б) процессы, происходящие в аккумуляторе, должны быть обратимы.

Первый технический аккумулятор представлял собой две свинцовые пластины, погруженные в водяной раствор серной кислоты (Н SO ). Свинцовые пластины, вступая в реакцию с серной кислотой, покрываются слоем сернокислового свинца PbSO . При пропускании через него ток от внешнего источника (зарядка) отрицательные ионы SO перемещаются к аноду и превращают сульфат в перекись свинца:

PbSO +SO +2H O = PbO +2H SO +2e

Положительные водородные ионы перемещаются к катоду и восстанавливают сульфат в металлический синец:

PbSO +2H +2e = Pb + H SO .

Таким образом, создается резкая несимметрия электродов: один из них свинцовый, другой – из перекиси свинца. Аккумулютор «заряжен», и представляет собой гальванический элемент, способный служить источником тока.

Давая ток во внешнюю цепь, аккумулятор разряжается, процессы протекают в нем в обратном порядке. В конце разряжения обе пластины оказываются покрытыми одинаковыми слоями сульфата свинца, и Э.Д.С. аккумулятора спадает до нуля.

Электрический ток в газах

2.1. Ионизация газов

Газы в естественном состоянии не проводят электричества. Если поместить в сухом атмосферном воздухе хорошо изолированное заряженное тело, например заряженный электрометр с хорошей изоляцией, то заряд электрометра долгое время практически остается неизменным.

Однако, подвергая газ различным внешним воздействиям, можно вызвать в нем электропроводность. Так, например, помещая вблизи заряженного электрометра пламя горелки, можно видеть, что заряд электрометра быстро уменьшается. Мы сообщили газу электропроводность, создавая в нем высокую температуру. Если бы вместо пламени горелки мы поместили вблизи электрометра подходящий источник света, мы также наблюдали бы утечку зарядов с электрометра.

Это показывает, что в газах под влиянием высокой температуры и различных излучений появляются заряженные частицы. Они возникают потому, что от атомов газа отщепляется один или несколько электронов, в результате чего вместо нейтрального атома возникают положительный ион и электроны. Часть образовавшихся электронов может быть при этом захвачена другими нейтральными атомами, и тогда появятся еще и отрицательные ионы.

Отрыв электрона от атома (ионизация атома) требует затраты определенной энергии - энергии ионизации. Она зависит от строения атома и поэтому различна для разных веществ.

После прекращения действия ионизатора число ионов в газе с течением времени уменьшается и конце концов ионы исчезают вовсе. Исчезновение ионов объясняется тем, что ионы и электроны участвуют в тепловом движении и поэтому соударяются друг с другом. При столкновении положительного иона и электрона они воссоединяются в нейтральный атом. Точно так же при столкновении положительного и отрицательного ионов отрицательный ион может отдать свой избыточный электрон положительному иону и оба они превратятся в нейтральные атомы. Это процесс взаимной ионизации ионов называется рекомбинацией ионов.

При рекомбинации положительного иона и электрона или двух ионов высвобождается определенная энергия, равная энергии, затраченной на ионизацию. Она излучается в виде света, и поэтому рекомбинация ионов сопровождается свечением (свечение рекомбинации). Если концентрация положительных и отрицательных ионов велика, то и число ежесекундно происходящих актов рекомбинации будет большим, и свечение рекомбинации может быть очень сильным. Излучение света при рекомбинации является одной из причин свечения многих форм газового разряда.

Ионизация электронными ударами.

В явлениях электрического разряда в газах большую роль играет ионизация атомов электронными ударами. Процесс заключается в том, что движущийся электрон, обладающий достаточной кинетической энергией, при соударении с нейтральным атомом выбивает из него один или несколько атомных электронов, в результате чего нейтральный атом превращается в положительный ион, а в газе появляются новые электроны.

Опыты Джеймса Франка и Густава Герца. Исследуемый газ при давлении порядка 0,1 - 0,01 мм рт.ст. вводится в стеклянную трубку, которая сначала откачивается до высокого вакуума (для удаления других газов). Трубка имеет накаливаемый катод , сетку и коллектор ионов . На сетку подается положительный ( относительно катода) потенциал, который можно изменять при помощи делителя напряжения и измерять вольтметром . На коллектор ионов накладывается отрицательный потенциал, на 0,5 - 1,0 В больший, чем потенциал катода. Эта небольшая разность потенциалов снимается с делителя напряжения, положительный конец которого соединен с катодом.

Расстояние катод-сетка в таких трубках делают значительно меньшим, чем расстояние сетка-коллектор, и подбирают давление газа так, чтобы средняя длина свободного пробега электронов в газе была больше расстояния между сеткой и катодом. Поэтому электроны, испущенные катодом, движутся в пространстве катод-сетка практически без соударений, и если разность потенциалов (выраженная в вольтах), между сеткой и катодом равна, то каждый электрон приобретает кинетическую энергию (выраженную в электрон-вольтах). Электроны, ускоренные сеткой, испытывают затем соударения с атомами газа в пространстве между сеткой и коллектором.

Так как потенциал коллектора ниже, чем потенциал катода, то в отсутствии ионизации все электроны тормозятся, не долетая до коллектора, и поэтому ток через гальванометр равен нулю. Если, однако, постепенно повышать разность потенциалов между сеткой и катодом , то, когда энергия электронов сделается равной энергии ионизации, то в пространстве сетка - коллектор появятся положительный ионы. Поэтому, измеряя наименьший потенциал сетки, при котором впервые появляется ток коллектора, можно найти энергию ионизацию атомов исследуемого газа.

Метод Франка и Герца не является единственным методом измерения энергии ионизации. Она может быть определена также из исследования линейчатых спектров свечения разреженных газов и паров, причем с довольно большой точностью. Значения энергии ионизации, найденные по спектрам, хорошо совпадают с ее значениями, определенными методом электронных ударов.

2.2. Самостоятельный и несамостоятельный разряд

2.2.1. Тлеющий разряд

Тлеющий разряд удобно наблюдать при пониженном давлении газа. Если к электродам, впаянным в стеклянную трубку длиной 30-50 см, приложить постоянное напряжение в несколько сот ампер и затем постепенно откачивать воздух из трубки, то наблюдается следующее явление : при атмосферном давлении приложенное напряжение недостаточно для пробоя газа и трубка остается темной. При уменьшении давления газа в некоторый момент в трубке возникает разряд, имеющий вид светящегося шнура. При дальнейшем уменьшении давления этот шнур расширяется и заполняет все сечение трубки.

Особое значение в тлеющем разряде имеют только две его части - катодное темное пространство и тлеющее свечение, в которых и происходят основные процессы, поддерживающие разряд.

Характерным для тлеющего разряда является особое распределение потенциала по длине трубки. Его можно определить, впаивая в трубку ряд дополнительных электродов - зондов, расположенных в различных местах трубки, и присоединяя между катодом и соответствующим зондом вольтметр с большим сопротивлением. Почти все падения потенциала в разряде приходятся на область катодного темного пространства. Эта разность потенциалов между катодом и границей тлеющего свечения получила название катодного падения потенциала.

Существование катодного темного пространства объясняется тем, что электроны начинают сталкиваться с атомами газа не сразу, а лишь на некотором расстоянии от катода. Ширина катодного темного пространства приблизительно равна средней длине свободного пробега электронов : она увеличивается с уменьшением давления газа. Следовательно, в катодном темном пространстве электроны движутся практически без соударения.

Катодное падение потенциалов необходимо для поддержания тлеющего разряда. Именно благодаря его наличию положительные ионы приобретают необходимую энергию для образования интенсивной вторичной электронной эмиссии с катода, без которой тлеющий разряд не мог бы существовать. Поэтому катодное падение потенциала есть наиболее характерный признак тлеющего разряда, отличающий эту форму газового разряда от всех других форм.

Тлеющий разряд широко используют в качестве источника света в различных газоразрядных трубках. В лампах дневного света излучение тлеющего разряда поглощается слоем специальных веществ, нанесенных на внутреннюю поверхность трубки, которые под действием поглощенного излучения в свою очередь начинают светиться. Такие трубки оказываются более экономичными нежели обычные лампы накаливания.