Учебник по физике для поступающих в ВУЗ /Экзаменационные вопросы по физике (2006-2007)/

Пример:

При опускании в раствор хлорида меди CuCl2 разноименно заряженных электродов возникает направленное движение ионов. Хлорид меди в водном растворе диссоциирует на ионы меди и хлора:

CuCl2 € Cu2+ + 2Cl-

 отрицательному электроду(катоду) притягиваются положительные ионы(катионы) Cu2+, к положительному(аноду) – отрицательные ионы(анионы) Cl-

Достигнув катода, ионы меди нейтрализуются избыточными электронами катода:

Cu2+ + 2e- → Cu

Образовавшиеся в результате реакции нейтральные атомы меди оседают на катоде.

Ионы хлора Cl- отдают на аноде по одному избыточному электрону, превращаясь в нейтральные атомы хлора Cl, которые соединяясь попарно образуют молекулярный хлор, выделяющийся на аноде в виде пузырьков газа:

2Cl- - 2e- → Cl2

Масса вещества, выделившегося на электроде за определенный промежуток времени равна массе всех ионов Ni, осевших на электродах за это время:

m = miNi

mi - масса одного иона

Полный заряд Q всех ионов, прошедших через раствор на электрод, пропорционален заряду каждого иона qi:

Q = qiNi

Из отношения левых и правых частей равенств получаем:

= = k

k – электрохимический эквивалент вещества

Для каждого электролита отношение массы иона к его заряду является постоянной величиной.

Майкл Фарадей в 1833 г.на основании опытов сформулировал два закона электролиза:

1. Масса вещества, выделяющегося из электролита на электродах, оказывается тем большей, чем больший заряд прошел через электролит

Масса вещества, выделившегося на электроде, прямо пропорциональна заряду, прошедшему через раствор (расплав) электролита:

m = k Q

Закон Фарадея можно сформулировать иначе, учитывая, что Q = It:

Масса вещества, выделившегося на электроде, прямо пропорциональна силе тока и времени прохождения тока через раствор (расплав) электролита:

m = k I t
I – сила тока

t – время его прохождения через электролит.

Из формулы видно, что коэффициент k численно равен массе вещества, выделившегося на электродах, при переносе ионами заряда равного 1 Кл

Коэффициент k, превращающий эту пропорциональность в равенство m = kIt, называется электрохимическим эквивалентом вещества.

Единица измерения - кг/Кл

2. Электрохимический эквивалент тем больший, чем больше масса моля вещества и чем меньше его валентность

Масса иона выражается через молярную массу и постоянную Авогадро:
mi =

Заряд иона кратен заряду электрона:
qi = ne
n – валентность химического элемента

Тогда получаем соотношение, иногда называемое вторым законом Фарадея:
  k = .
k ~  эта дробь называется химическим эквивалентом вещества

Коэффициент, превращающий эту пропорциональность в равенство, назвали постоянной Фарадея F:
k = *  

Постоянная Фарадея равна произведению двух констант – постоянной Авогадро и заряда электрона:
F = Na * e = 6,02*1023 моль-1 *1,6*10-19 Кл ≈ 9,6*104 Кл/моль

Физический смысл электрохимического эквивалента: отношение массы иона к его заряду.
= m0i , e n = q0i Þ k =
измеряя m и Dq, можно определить электрохимические эквиваленты различных веществ.

Объединенный закон Фарадея для электролиза:
m = kIt (см.п.1), k = * (см.п.2) Þ  m =   Q =

n – валентность химического элемента

Как следует из объединенного закона Фарадея, если на электроде выделяется моль одновалентного вещества, то m = M, n = 1, F = Q.

Постоянная Фарадея численно равна заряду, который надо пропустить через раствор электролита, чтобы выделить на электроде 1 моль одновалентного вещества.

Электролиз применяется:

Гальванопластика, т.е. копирование рельефных предметов.

Гальваностегия, т.е. нанесение на металлические изделия тонкого слоя другого металла (хром, никель, золото).

Очистка металлов от примесей (рафинирование металлов).

Электрополировка металлических изделий. При этом изделие играет роль анода в специально подобранном электролите. На микронеровностях (выступах) на поверхности изделия повышается электрический потенциал, что способствует их первоочередному растворению в электролите.

Получение некоторых газов (водород, хлор).

Получение металлов из расплавов руд. Именно так добывают алюминий.

ТОК В ГАЗАХ

При норм условиях газы являются диэлектриками и не проводят электрический ток. Это доказывает опыт с электрометром и дисками плоского конденсатора. Если спичкой нагреть воздух между дисками то конденсатор разряжается. Следов нагретый газ является проводником и в нем устанавливается электрический ток.

Газ под воздействием света, тепла или ионизирующего излучения может становиться проводником.

Процесс протекания электрического тока через газ называют газовым разрядом.

Явление прохождения тока через газ при условии внешнего воздействия, называется несамостоятельным электрическим разрядом.

При нагревании или облучении часть атомов ионизируется – распадается на положительно заряженные ионы и электроны. В газе могут образовываться и отрицательные ионы, которые появляются благодаря присоединению электронов к нейтральным атомам.

Ионизация газов при нагрев объясняется тем что по мере нагрев молекулы движутся быстрее. При этом некоторые сталкиваются и распадаются, превращаясь в ионы. Чем выше температура тем больше образ ионов.

Процесс возникновения ионов газа под воздействием температуры называется термической ионизацией.

Возникновение ионов под воздействием светового излучения – фотоионизация.

Механизм проводимости газов похож на механизм проводимости растворов и расплавов электролитов. Разница в том, что в газах отрицательный заряд переносится в основном не отрицательными ионами, а электронами.

В отсутствие внешнего поля заряженные частицы исчезают только вследствие рекомбинации. Если действие ионизатора неизменно, то устанавливается динамическое равновесие, при котором число вновь образующихся пар заряженных частиц равно числу рекомбинирующих.

Электрический ток в газе – это направленное движение положительных и отрицательных ионов и электронов.

Газ, в котором значительная часть молекул ионизирована, называется плазмой.

Плазма – частично или полностью ионизированный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически совпадает.

Плазма – электрически нейтральная система

В полностью ионизированной плазме электрически нейтральных атомов нет.

Температура плазмы достигает нескольких тысяч градусов.

Электроны и ионы плазмы способны перемещаться под воздействием электрического поля.

Наряду с нагреванием ионизация газа и образование плазмы могут быть вызваны различными излучениями или бомбардировкой атомов газа быстрыми заряженными частицами.

При этом получается так называемая низкотемпературная плазма.

Плазма обладает рядом специфических свойств, что позволяет рассматривать ее как особое четвертое состояние вещества. Большая часть вещества вселенной находится в состоянии плазмы.

При увеличении напряженности поля в зависимости от давления и природы газа в нем возникает разряд без воздействия внешних ионизаторов.

Это явление называется самостоятельным электрическим разрядом.

Напряжение, при котором происходит переход несамостоятельного разряда в самостоятельный, называется напряжением зажигания или пробоя.

Чтобы электрон при ударе об атом ионизовал его, необходимо, чтобы он обладал энергией не меньшей работы ионизации A = φe. Эту энергию электрон может приобрести под воздействием сил внешнего электрического поля в газе на пути свободного пробега:

Wk = Eeλ =

т.к. длина свободного пробега мала, самостоятельный разряд возможен только при высокой напряженности поля.

Рекомбинация – при прекращении электрического тока, электроны и положительно заряженные ионы могут вновь образовать нейтральный атом.

Если действие ионизатора прекратить, то прекратится и разряд, т.к. других источников ионов нет. По этой причине разряд называется несамостоятельным.

Не все образующиеся ионы достигают электродов, часть их рекомбинируют с электронами, образуя нейтральные молекулы. По мере увеличения разности потенциалов между электродами доля заряженных частиц, достигающих электродов, увеличивается. Возрастает сила тока в цепи. Наступает момент, когда все образующиеся заряженные частицы достигают электродов. Дальнейший рост тока прекращается. Ток достигает насыщения.

Если продолжать увеличивать разность потенциалов на электроде, то число ионов возникающих в процессе разряда может стать таким большим, что внешний ионизатор будет уже не нужен для поддержания разряда.

Так как разряд не нуждается для своего поддержания во внешнем ионизаторе, его называют самостоятельным.

Казалось бы, при дальнейшем увеличении разности потенциалов сила тока должна оставаться неизменной. Однако опыт показывает, что в газа при увеличении напряжения между электродами , начиная с некоторого значения, сила тока снова резко возрастает.

Заряженные частицы (положительный ион и электрон), образовавшиеся благодаря действию внешнего ионизатора, начинают двигаться под действием поля к катоду и аноду соответственно. На своем пути электрон встречает ионы и нейтральные атомы.

В промежутках между последовательными столкновениями энергия электрона увеличивается за счет работы сил электрического поля. Чем больше разность потенциалов между электродами, тем больше напряженность электрического поля.

Кинетическая энергия электрона перед очередным столкновением зависит от напряженности поля и длине свободного пробега l электрона между двумя последовательными столкновениями:

= e E l

Если кинетическая энергия электрона превосходит работу, которую надо совершить, чтобы ионизировать нейтральный атом (  > A ), то при столкновении электрона с атомом происходит ионизация.

Количество заряженных частиц начинает нарастать лавинообразно.

Этот процесс называю ионизацией электронным ударом.

Но одна ионизация электронным ударом не может обеспечить длительный самостоятельный разряд. Все возникающие электроны достигнув анода больше не участвуют в процессе.

Для существования разряда необходима эмиссия электронов с катода.

Эмиссия электронов может быть обусловлена несколькими причинами.

Положительные ионы, образовавшиеся при столкновении свободных электронов с нейтральными атомами, при своем движении к катоду приобретают под действием поля большую кинетическую энергию. При ударах таких быстрых ионов с поверхности катода выбиваются электроны.

Кроме того катод может испускать электроны при нагревании до высокой температуры (термоэлектронная эмиссия) При самостоятельном разряде нагрев катода может происходить за счет бомбардировки его положительными ионами.

ДОБАВИТЬ ГРАФИК ТОКА В ГАЗЕ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ НАПРЯЖЕНИЯ

В зависимости от свойств и состояния газа, а также от характера и расположения электродов и приложенного к ним напряжения возникают различные виды самостоятельного разряда в газах:

- тлеющий

- дуговой

- коронный

- искровой

Тлеющий разряд

Образуется при низком давлении газа, что объясняется повышением проводимости газа при разрежении (увеличивается путь свободного пробега).

Для возбуждения тлеющего разряда достаточно напряжения в несколько сотен вольт.

При тлеющем разряде почти вся трубка, за исключением небольшого участка возле катода, заполнена однородным свечением, называемым положительным столбом.

Тлеющий разряд применяется в трубках для свечения реклам. Красное свечение возник при наполнении трубки неоном, Синевато–зеленоватый - при аргоне.

В лампах дневного света используется разряд в парах ртути.

В прожекторах – в парах галогенных газов.

Дуговой разряд

При соприкосновении двух угольных стержней в месте их контакта из-за большого сопротивления выделяется большое количество теплоты. Температура повышается настолько, что начинается термоэлектронная эмиссия. Вследствие этого при раздвижении угольных электродов между ними начинается разряд. Между углями возникает столб ярко светящегося газа – электрическая дуга.

Проводимость газа в этом случае значительна и при атмосферном давлении, т.к. число электронов, испускаемых отрицательным электродом, очень велико.

Сила тока в небольшой дуге достигает нескольких ампер, а в больших дугах – нескольких сотен ампер при напряжении порядка 50В.

Электрическая дуга может возникать не только между угольными, но и между металлическими электродами.

Если увеличивать силу тока при тлеющем разряде, то температура катода за счет бомбардировки ионами увеличится настолько, что начнется дуговой разряд. Таким образом, для возникновения дугового разряда не обязательно предварительное сближение электродов.

Дуговой разряд - мощный источник света, его используют в прожекторах, проекционных аппаратах и киноаппаратах.

Коронный разряд

При атмосферном давлении вблизи заостренных участков проводника, несущего большой электрический заряд, наблюдается газовый разряд, светящаяся часть которого напоминает корону. Он вызывается высокой напряженностью электрического поля вблизи заряженного острия. При такой большой напряженности поля ионизация посредством электронного удара происходит при атмосферном давлении.

По мере удаления от поверхности проводника напряженность быстр убывает. Поэтому ионизация и связанное с ней свечение газа наблюдаются в ограниченной области пространства.

Искровой разряд

При большом напряжении между электродами в воздухе возник искровой разряд, имеющий вид пучка ярких зигзагообразных полосок, разветвляющихся от тонкого канала. Этот вид разряда возникает тогда, когда мощность источника тока недостаточна для поддержания дугового или тлеющего разряда.

Пример гигантского искрового разряда – молния, возникающая между облаками или облаком и землей. Сила тока в молнии достигает 500 000 А, разность потенциалов между облаком и землей – 1млрд.В.

ЗАКОН ОМА ДЛЯ ТОКА В ГАЗЕ

СХЕМА ГАЗОРАЗРЯДНОЙ ЛАМПЫ

Люминесцентная лампа

При включении лампы ток течет по цепи через дроссель, стартер и нити накаливания.

Нити накаливания разогреваются, нагревая газ (пары ртути) внутри лампы.

Одновременно протекающим через него током разогревается биметаллический контакт внутри стартера.

При нагревании до определенной температуры биметаллический контакт стартера изгибается и размыкается.

Маленький конденсатор, включенный параллельно контакту стартера, защищает его от возникновения искры и обгорания в момент размыкания.

В момент размыкания контакта стартера в цепи возникает сильный импульс напряжения благодаря наличию в цепи дросселя – катушки на металлическом сердечнике с большой индуктивностью.

Импульс напряжения вызывает в разогретом газе тлеющий разряд. Сопротивление газового промежутка резко падает, через него начинает течь ток. Лампа светиться.

Далее разряд поддерживается благодаря протекающему через него току.

При горении лампы сопротивление катушки дросселя ограничивает ток в цепи.

Люминофор на колбе лампы придает свету определенный цвет и равномерность свечения.

ТОК В ВАКУУМЕ. ТЕРМОЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ

Вакуум - это такое состояние газа в сосуде, при котором молекулы пролетают от одной стенки сосуда к другой, ни разу не испытав соударений друг с другом.

Вакуум-изолятор, ток в нем может возникнуть только за счет искусственного введения заряженных частиц

В вакууме нет носителей свободного заряда, поэтому без внешнего влияния ток в вакууме отсутствует.

Для этого используют эмиссию (испускание) электронов веществами.

В вакуумных лампах с нагреваемыми катодами происходит термоэлектронная эмиссия, а в фотодиоде - фотоэлектронная.

Объясним, почему нет самопроизвольного испускания свободных электронов металлом. Существование таких электронов в металле – следствие тесного соседства атомов в кристалле. Однако свободны эти электроны только в том смысле, что они не принадлежат конкретным атомам, но остаются принадлежащими кристаллу в целом. Некоторые из свободных электронов, оказавшись в результате хаотического движения у поверхности металла, вылетают за его пределы.

Микро участок поверхности металла, который до этого был электрически нейтральным, приобретает положительный некомпенсированный заряд, под влиянием которого вылетевшие электроны возвращаются в металл.

Процессы вылета – возврата происходят непрерывно, в результате чего над поверхностью металла образуется сменное электронное облако, и поверхность металла образуют двойной электрический слой, против удерживающих сил которого должна быть совершена работа выхода.

Если эмиссия электронов происходит, значит, некоторые внешние воздействия (нагрев, освещение, облучение) совершили такую работу.

Термоэлектронная эмиссия - свойство тел, нагретых до высокой температуры, испускать электроны.

Для изготовления катодов используют вещества, у которых термоэлектронная эмиссия начинается при температурах, при которых испарение самого вещества еще не происходит.

Электровакуумный диод

Простейшим прибором, использующим термоэлектронную эмиссию, является электровакуумный диод.

Внутри баллона из стекла или металлокерамики, из которого откачан воздух, размещены два электрода: анод и катод.

Анод представляет собой круглый или овальный цилиндр, имеющий общую ось с катодом.

Катод имеет вид вертикального металлического цилиндра, покрываемого обычно слоем оксидов щелочноземельных металлов с низкой работой выхода электронов – бария, стронция, кальция. Такой катод называется оксидным.

При нагревании поверхность такого катода выделяет гораздо больше электронов, чем катода из чистого металла.

Внутри катода расположен изолированный проводник – нить накала, нагреваемый внешним переменным током.

Нагретый катод испускает электроны, достигающие анода, если он имеет более высокий потенциал, чем катод.

Вокруг катода при его нагревании создается электронное облако.

Если подключить катод к положительному выводу батареи, а анод – к отрицательному, то поле внутри диода будет смещать электроны к катоду, и тока не будет. Если же подключить наоборот – анод к плюсу, а катод к минусу – то электрическое поле будет перемещать электроны по направлению к аноду.

Этим объясняется свойство односторонней проводимости диода.

Основная причина нелинейности вольт-амперной характеристики вакуумного диода в том, что свободные электроны, образующие ток, испускаются одним из электродов в ограниченном количестве. Кроме того, на движение электронов наряду с полем существенное влияние оказывает поле пространственного заряда электронного облака у катода.

Чем выше напряжение между анодом и катодом, тем меньше пространственный заряд электронного облака и тем большее количество электронов достигает анода, тем больше сила тока в цепи.

Если катод не покрыт оксидным слоем, то при достаточно большом напряжении все электроны, покинувшие катод, достигают анода и при дальнейшем увеличении напряжения сила тока уже не меняется. Ток достигает насыщения.

Если повысить температуру катода, то катод будет покидать большее количество электронов. Электронное облако вокруг катода станет более плотным. Ток насыщения будет достигнут при большем напряжении между анодом и катодом, а сила тока насыщения возрастает.

В электронной лампе с оксидным катодом достигнуть тока насыщения нельзя. Это требует столь высокого напряжения, при котором катод разрушается.

Электровакуумный триод

Потоком движущихся от катода к аноду электронов можно управлять с помощью электромагнитного поля. Для этого диод модифицируется, и между анодом и катодом добавляется сетка.

Получившийся прибор называется триодом.

Если на сетку подать отрицательный потенциал, то поле между сеткой и катодом будет препятствовать движению электрона. Если подать положительный – то поле будет препятствовать движению электронов.

Электронно-лучевая трубка

Представляет собой длинную стеклянную колбу, в которой создан высокий вакуум (10-6-10-7 мм рт. ст.). Внутри баллона имеется система электродов, позволяющая получать очень тонки и очень длинный пучок электронов. Эту совокупность электродов называют электронной пушкой (прожектором)

Катод- источник быстрых электронов представляет собой узкий цилиндр, внутри которого находится нагреватель. Снаружи катод покрыт специальным оксидным веществом с малой работой выхода электронов. Электроны испускаются с торца разогретого цилиндра.

Управляющий электрод предназначен для регулировки интенсивности электронного пучка. Он имеет цилиндрическую форму и окружает катод. Через отверстие в основании этого цилиндра пролетают электроны, испускаемые катодом. На управляющий электрод попадает небольшой отрицательный потенциал. Изменяя потенциал управляющего электрода можно изменять яркость пятна на экране.

Напротив катода расположены Аноды в форме пустотелого цилиндра, к которому электронный пучок попадает, пройдя через фокусирующий цилиндр, содержащий диафрагму с узким отверстием.

Форма, расположение и потенциалы анодов выбраны так, чтобы наряду с ускорением электронов осуществлялась и фокусировка электронного пучка, т.е. уменьшение площади его поперечного сечения на экране почти до точки.

Между катодом и анодом поддерживается напряжение несколько киловольт,

необходимое для разгона пучка электронов.

Ускоренные электрическим полем электроны вылетают из отверстия диафрагмы и летят к экрану, изготовленного из вещества, светящегося под действием ударов электронов.

Для управления электронным лучом служат две пары управляющих металлических пластин, одна из которых расположена вертикально, а другая горизонтально.

Если левая из пластин имеет отрицательный потенциал, а правая – положительный, то луч отклонится вправо, а если полярность пластин изменить, то луч отклонится влево.

Если же на эти пластины подать переменное напряжение, то луч будет совершать колебания в горизонтальной плоскости.

Аналогично будет колебаться луч в вертикальной плоскости, если переменное напряжение на вертикально отклоняющие пластины.

СОПРОТИВЛЕНИЕ ПРОВОДНИКОВ

Для каждого проводника существует определенная зависимость силы тока от приложенной разности потенциалов на концах проводника. Эту зависимость выражает так называемая вольт-амперная характеристика проводника.

Ее находят, измеряя силу тока в проводнике при различных значениях напряжения.

Основная электрическая характеристика проводника — сопротивление. От этой величины зависит сила тока в проводнике при заданном напряжении.

Сопротивление проводника представляет собой меру противодействия проводника установлению в нем электрического тока.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43