Э. Парселл - Электричество и магнетизм (1115535), страница 34
Текст из файла (страница 34)
4.9. Рассеяние энергии при прохождении тока При прохождении тока по сопротивлению происходит рассеяние энергии. Если для перемещения носителя заряда со средней скоростью ч требуется сила Г, то устройство, осуществляющее перемещение, должно работать, отдавая мощностьГ.ч. Если электрическое поле Е движет ион с зарядом <), то Г=<)Е и скорость совершения работы равна дЕ ч.
Расходуемая энергия в конечном счете проявляется в виде тепла. В нашей модели ионной проводимости совершенно ясно, как это происходит. При столкновениях пон приобретает наряду с импульсом добавочную кинетическую энергию. После одного нли нескольких столкновений импульс переориентируется случайным образом, но кинетическая энергия иова пе обязательно возвращается к нормальному зна<ению. Чтобы это произошло, иоп должен передать кинетическую энерп ю прегятствпю, которое его отклоняет.
Пусть носитель заряда имеет мйото меньшу<о масс,, че з атом, с котор. г<<он сталкивается. Когда маленький бпльярднып И<ар сталкивается с тяжелым кегельны«1 шаром. в среднем передастся небольшая кппеп<ческая энергия. Поэтому пш< (бплш<рдный шарик) будет пакаплиз<пь добавочную энергюо, пока его средняя кинетическая энергия не станет настолько большои, что средняя потеря энергии при столкновении будет равна энергия, полученяой между столкпОвениями. Таки«1 Об<разом, после начального <<пагревания» самих носителей заряда работа, выполняемая электрической силой при перемещении носителей, в конце концов, передается остальной среде в виде хаотпческой кинетической энергии или тепла. Пусть стационарный ток ! а течет по сопротивлению величиной )с О»1.
Каждую секуяду разность потенциалов Г в переносит ! л заряда, причем Г==-И. Следовательно, в 1 сак производится работа !<)<» дса (! к 1 л=! дх=-10» арг). Для моп<ностп Р (скорости вьтол<юння работы) есть соответствующая едипипа: ватт, илн вольт-ампер (! от=! дсе)сск) Р = !«)!. ('27) Стационарный ток в пепи, естественно, требует какого-нибудь псточника энерп1Н, которын спосооен поддерйювать электоичес!<ое поле. До сих пор мы избегали вопроса об электродвнжущей силе, изучая только части полной цепи; «батарея» оставалась за пределами картины, В разделе 4.10 мы рассмотрим некоторь<е источники электродвнжущей силы, 4.!О.
Электродаижущая сила и гальванический элемент В цепи постоянного тока источником электродвижущей силы является механизм, переносящий заряды в направлении, противоположном тому, в котором нх пытается двигать электрическое поле. Пример большой установки такого рода — электростатический генератор Ван-де-Граафа (рис. 4.15). Если все происходит стационарно, !44 Рнс. 4!5 В сепараторе Вав.де Грег«та поснтелн аарвда перевоснтсн не. канппескп в н правлевап, обратном тонг, в астором на двнтало бы алектрнпеское поле ток по внешнему сопротивленню течет в направлении электрического поля Е и в этом сопротивлении энергия рассеивается (в виде тепла) со скоростью И', нли 7%. Внутри колонны генератора тоже существует электрическое поле, направленное вниз.
Здесь носители заряда могут двигаться против поля, только если они сидят на непроводящей ленте. Они «приклеены» к ленте так прочно, что не могут соскользнуть по ней вдоль направленного вниз электрического поля. (Тем не менее их можно снять с ленты гораздо более сильным полем, локализованным на контактной щетке. Здесь нам нет необходимости рассматривать способы нанесения зарядов на ленту и съема их с ленты.) / Необходимая для движения ленты энергия доставляется снаружи— обычно с помощью включенного в сеть этектромотора, однако для этого Ь может служить бепзкновый мотор пли дауне человек, вращающий рукоптку.
По существу, генератор Ва1рдс-Граафа представляет собой батаре о с электродвпжущей силой, равной, в»- этих условиях, 1'„ б. В обычных батареях перемещение носителей заряда в области, где электрическое поле обратно току, производится с помощью химической энергии. Итменно, положительный заряд может двигаться к месту с более высоким электрическим потенциалом, если он при этом участвует в химической реакции, которая дает больше энергии, чем это требуется, чтобы взобраться на «электрическую горку». Чтобы посмотреть, как этот механизм работает, исследуем какой- нибудь гальванический элемепг.
Гальванический элемент — это первоначальуюе название химического источника электродвижущей силы. В опытах Гальвани, выполненных около 1790 г., знаменитое сокращение лягушечьих ножек возвестило о химической генерации электрического тока. Вольта был первым, кто доказал, что источником тока стыло ие «животное электричество», как думал Гальвани, а контакт разнородных металлов в цепи.
Он пошел дальше и построил первую батарею — стопку элементарных ячеек, каждая из которых состояла из цинкового и медного дисков, разделенных слоем влажного картона. Вольтов «столб», как его назвали, был первым практическим источником постоянного электрического тока. Существует много типов гальванических элементов, в том числе вездесущий <сухой элемент». Лвтомобильная батарея, если это 12- вольтовая батарея, состоит из шести соединенных последовательно свинцово-сернокисль1х элементов. Мы опишем другую разновидность элемента, нормальный элемент Вестона, химическнй состав которого довольно прост.
Кроме того, элемент Вестона имеет !45 большое значение в лаборатории, являясь эталоном при точных измерениях напряжения. Один из видов элемента Вестона показан на рис. 4.16. Он состоит из Н-образного стеклянного сосуда, наполненного водным раствором сульфата кадмия, С650,.
В дно каждого плеча впаян внешний ввод, осуществляющий контакт с внутренними электродами. Левый внутренний электрод представляет собой «лужицу» чистой ртути, а правый — ту же ртуть, в которой растворен металлический кадмий. (В ртути растворяется много металлов; такой раствор называется амальгамой.) Слева над поверхностью ртути находится несколько кристаллов сульфата ртути, Нй.50„— соединения, которое очень слабо растворяется в воде. Между внешними вводами существует разность потенциалов, причем левый ввод положителен по отношению к правому.
(Абсолютная величина потенциала не имеет значения; здесь важны только разности.) Вот как работает такой элемент: часть ионов кадмия переходит из амальгамы в водный раствор, причем каждый оставляет после себя два электрона, и амальгамный электрод + приобретает значительный отрицательяый заряд. Однако этот ток прекращается, как только в электроде оказывается столько избыточных электронов, что производимое ими притяжение препятствует дальнейшему выходу ионов кадмия. Если теперь создать внешпий проводящий контур, соединив концы элемента сопротивлением, то электроны потекут от отрицательного электрода к положительному.
Это позволит новой порции ионов Сс("+ перейти в раствор, а оставленные нми электроны просто пополнят отрицательный заряд этого электрода. В цепи будет течь стационарный ток, сопровождаемый миграцией ионов, замыкающей цепь внутри водного раствора. Тем временем кое-что происходит и на другом электроде. На рис. 4.17 показано, что творится прн прохождении тока иа каждой из двух поверхностей раздела между электродами и раствором (электролитом).
На рис. 4.17, а ионы ртути Нд~ покидают раствор, встречаются с приходящими снаружи электронами и становятся нейтральными атомами ртути. В растворе новые ионы Нй~ возникают при растворении Нд.,50„причем одновременно в электролит добавляются новые сульфатные ионы. На рис.
4.17, б непрерывно идет диссоциация атомов кадмия, которые поступают в электролит уже в виде ионов Сг)~+. В результате, по существу, происходят удаление электронов из атомов кадмия и присоединение их к ионам ртути. Химик сказал бы, 14ч т ть восстанавливается. Элемент работает что кадмий окисляется, а ртуть восстаг н эне гетически вьгоден. потому, что этот обмен р атома ртути такова, связи электронов в суру ур кт е атома кадмия и ' 'льно, ст емление атомов ртути присоединить чю, выр жа с фыурбл, р ., лапие атомов кадмия электроны превосходит же. тим, что на каждой из поВЕРХПОСтЕй РаЗДЕЛа ИОНЫ ДВИ- Сб ": Зн:,:Чи':":, са.х ' жутся против электрического поля Именно эти переходные .;, с сколь лькпх ангстрем, соогвст- го а и,;мат„-х Рассмотрим теперь изме- 'М,'хх х пения электрического потенциала во в всей системе как ' ххл х:,р при протекании тока, так и .
4.!8 а Ф в его отсутствие. На рис. изме- ь схематиаеска показано, ата по вертикали отложено нЕНие потенциала вдол ц,, » поверхности п., ЦЕПИ, провсходит на поверхности п . разомкнутой в одной точ . ~~~~р~д л,,л Разность потенциалов на за- б е Э ая сила элемента, о озна есть электродвижуп1ая ское поле равно градиен ! т х потенциала, взя элект остатическом пол , . ле, линейный интеграл (Х4 прочим уровень на от Е вдоль всего пути раве ух н и лю.. ежду А 4 л! и оа цепи !ах На оси потенциалов лля Р, оса Распределение пот енцнала (б1 в рззомкнутоа цепи а .
а о ла правого заасима пр аизвольно принята нул потенциала ита п,оизволсн — его б н потенциал электролита, 14елыур непосредственно измерить В корта по внешнему сопр отивлению течет ток. , нап авленное в ту же сторону, что и ток. есть электрическое поле, р мия ведет себя подо но б обычному омическому Раствор сульфата кадми д 147 е ь азнасть потенциалов на заж а зажимах меньше сгг сопротивлению. Теперь ра из-за наличия внутренн него падения напр яження па электролите, , из-за добавочного сопрот тивлсння переходных а также, возможно, из- ого поля по всей цепи по- слоев.
1!инейный нн е р . т г ал от электрического е протекания тока через прсжньх'у Р~~ен ну" у лю. П сть в результате п . ях котор~ябытаржжяча ошло Я кулонов за вырван~ ~юмах) р ) есть энергия в джоулях, во внешней цепи и внутр и элемента. та эн р чес менте об атима. о з Цепочка реакций в элеме р ..
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
