PhysTime

Электрический заряд в различных средах.

Электрическим током называют всякое упорядоченное движение электрических зарядов. Электрический ток может проходить через различные вещества при определенных условиях. Одним из условий возникновения электрического тока является наличие свободных зарядов, способных двигаться под действием электрического поля.Поэтому в этом разделе мы попытаемся установить, какие частицы, переносят электрический заряд в различных средах.

Электрический ток в металлах.

Металлы состоят из положительно заряженных ионов, находящихся в узлах кристаллической решетки и совокупности свободных электронов. Вне электрического поля свободные электроны движутся хаотически, подобно молекулам идеального газа, а потому рассматриваются в классической электронной теории как электронный газ.Под действием внешнего электрического поля меняется характер движения свободных электронов внутри металла. Электроны, продолжая хаотичные движения, вместе с тем смещаются в направлении действия сил электрического поля.Следовательно, электрический ток в металлах - это упорядоченное движение электронов. Сила тока в металлическом проводнике определяется по формуле:

 

 

где I - сила тока в проводнике, e - модуль заряда электрона, n0 - концентрация электронов проводимости, - средняя скорость упорядоченного движения электронов, S - площадь поперечного сечения проводника. Плотность тока проводимости численно равна заряду, проходящему за 1с через единицу площади поверхности, перпендикулярной направлению тока.

 

 

 

где j - плотность тока.

 

У большинства металлов практически каждый атом ионизирован. А так как концентрация электронов проводимости одновалентного металла равна:

 

 

 

 

 

где Na - постоянная Авогадро, A - атомная масса металла, ρ - плотность металла,

 

то получаем что концентрация определяется в пределах 1028 - 1029 м-3.

 

Закон Ома для однородного участка цепи:

 

 

 

 

где U - напряжение на участке, R - сопротивление участка.

 

Для однородного участка цепи:

 

 

 

 

где ρУ - удельное сопротивление проводника, l - длина проводника, S - площадь поперечного сечения проводника.
 

Удельное сопротивление проводника зависит от температуры и эта зависимость выражается соотношением:

ρу=ρоу ( 1 + α ∆Т )

где ρоу - удельное сопротивление металлического проводника при температуре Т=273К, α -термический коэффициент сопротивления, ∆Т=Т - То - изменение температуры.
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вольт-амперная характеристика металлов.

 

Сила тока в проводниках по закону Ома прямо пропорциональна напряжению. Такая зависимость имеет место для проводников со строго заданным сопротивлением ( для резисторов).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тангенс угла наклона графика равен проводимости проводника. Проводимостью называется величина, обратная сопротивлению:

 

 

 

 

 

где G - проводимость.

 

Но так как сопротивление металлов зависит от температуры, то вольт-амперная характеристика металлов не является линейной.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Электрический ток в растворах и расплавах электролитов.

Явление распада молекул солей, щелочей и кислот в воде на ионы противоположных знаков называют электролитической диссоциацией. Полученные в следствие распада ионы служат носителями заряда в жидкости, а сама жидкость становятся проводником.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вне электрического поля ионы движутся хаотически. Под действием внешнего электрического поля ионы, продолжая хаотичные движения, вместе с тем смещаются в направлении действия сил электрического поля: катионы к катоду, анионы - к аноду.Следовательно, электрический ток в растворах (расплавах) электролитов - это направленное перемещение ионов обоих знаков в противоположных направлениях.Прохождение электрического тока через раствор электролита всегда сопровождается выделением на электродах веществ, входящих в его состав. Это явление называют электролизом.При движении внутри электролитов ионы взаимодействуют с молекулами воды и другими ионами, т.е. электролиты оказывают некоторое противодействие движению, а, следовательно, обладают сопротивлением. Электрическое сопротивление электролитов зависит от концентрации ионов, величины заряда иона, от скорости движения ионов обоих знаков.Сопротивление электролитов так же определяется по формуле:

 

 

 

 

где ρУ - удельное сопротивление электролита, l - длина жидкого проводника, S - площадь поперечного сечения жидкого проводника.

 

При увеличении температуры электролита уменьшается его вязкость, что ведет к увеличению скорости движения ионов. Т.е. при повышении температуры сопротивление электролита уменьшается.

Законы Фарадея.

1. Масса вещества, выделяемого на электроде, прямо пропорциональна электрическому заряду, прошедшему через электролит.

 

 

 

где m - масса вещества, выделяющегося на электроде, k - электрохимический эквивалент, q - заряд, прошедший через электролит.

2. Электрохимический эквивалент вещества прямо пропорционален его химическому эквиваленту.

 

 

 

 

где М- молярная масса вещества, F- постоянная Фарадея, z - валентность иона.

 

постоянная Фарадея численно равна заряду, который должен пройти через электролит, чтобы выделить из него массу вещества, численно равную химическому эквиваленту.

 

Объединенный закон Фарадея.

 

 

 

 

 

 

Электрический ток в газах.

При нормальных условиях газы состоят из нейтральных молекул, а поэтому являются диэлектриками. Так как для получения электрического тока необходимо наличие заряженных частиц, то молекулы газа следует ионизировать (оторвать электроны от молекул). Для ионизации молекул необходимо затратить энергию - энергию ионизации, количество которой зависит от рода вещества. Так, энергия ионизации минимальна для атомов щелочных металлов, максимальна - для инертных газов.Ионизировать молекулы можно при нагревании газа, при облучении его различного рода лучами. Благодаря дополнительной энергии возрастает скорость движения молекул, нарастает интенсивность их теплового движения и при соударении отдельные молекулы теряют электроны, превращаясь в положительно заряженные ионы.

 

 

 

 

 

 

 

 

Электроны, оторвавшись от молекулы могут присоединятся к нейтральным молекулам, образуя при этом отрицательно заряженные ионы.

 

 

 

 

 

Следовательно, при ионизации появляются три типа носителей зарядов: положительные ионы, отрицательные ионы и электроны.Под действием внешнего электрического поля ионы обоих знаков и электроны движутся в направлении действия сил электрического поля: положительные ионы к катоду, отрицательные ионы и электроны - к аноду. Т.е. электрический ток в газах - это упорядоченное движение ионов и электронов под действием электрического поля.

 

Вольт- амперная характеристика газов.

Зависимость силы тока от напряжения выражена  кривой ОАВС.

На  участке графика  ОА сила тока подчиняется закону Ома. При малом напряжении сила тока мала, т.к.  ионы двигаясь с малыми скоростями рекомбинируют, не достигая электродов. При увеличении напряжения  между электродами скорость направленного движения электронов  и ионов возрастает, поэтому  большая часть заряженных частиц достигает  электродов, а, следовательно возрастает сила тока.