Электричество и магнетизм.

Лекция 4.

Электрический ток в неметаллических средах. Термоэлектронная эмиссия. Принцип Паули. Функция распределения Ферми-Дирака. Элементы зонной теории твердого тела. Контакт двух металлов. Контактная разность потенциалов. Термоэлектрические явления. Контакт металл-полупроводник. Собственная и примесная проводимость полупроводников. Электронно - дырочный переход. Диод. Транзистор. Заряд и разряд конденсаторов в RC-цепях. Ламповый диод и триод. Электронно-лучевая трубка. Контактная разность потенциалов. Термопара.

Электрический ток в неметаллических средах.

Ток в жидкостях. Электролиз.

Электролизом наз. процесс выделения составных частей химических соединений на электродах при прохождении тока через раствор или расплав этих соединений.

Растворы некоторых химических соединений в воде или в других растворителях, а также расплавы, проводящие электрический ток, наз. электролитами.

Вещества, молекулы которых в растворе или расплаве распадаются на ионы, наз электролитами. Такой процесс распада наз. электролитической диссоциацией.

К электролитам относятся растворы многих солей, кислот и щелочей, а также расплавы солей и окислов металлов. Электролиты иначе наз. проводниками II рода (металлы – I рода).

Проводимость растворов электролитов называется ионной проводимостью – упорядоченное движение ионов под действием внешнего электрического поля. Объясняется она так: молекулы многих веществ (напр., солей) представляют собой положительные и отрицательные ионы, соединенные в одно целое силой взаимного притяжения , . В воде сила взаимного притяжения между ионами противоположных знаков уменьшается (в 81 раз). При таком ослаблении связи тепловое движение молекулы может оказаться достаточным для распада (диссоциации) ее на положительные и отрицательные ионы.

Степенью диссоциации называется отношение числа молекул , диссоциировавших на ионы, к общему числу молекул вещества: .

Степень диссоциации зависит от температуры, концентрации раствора и относительной диэлектрической проницаемостью растворителя. Часть ионов противоположных знаков «встречается» при своем беспорядочном тепловом движении и вновь образует молекулы (процесс соединения ионов в молекулы наз. рекомбинацией). С течением времени наступает момент, когда скорости диссоциации и рекомбинации ионов сравниваются и возникает динамическое равновесие, хотя процессы распада и соединения не прекращаются, соотношение распавшихся и нераспавшихся молекул вещества в растворе сохраняется постоянным: , .

И оны в растворе, как и молекулы, движутся хаотически. При подключении источника тока к электродам (проводники, соединенные с источником тока), опущенным в такой раствор, возникает направленное движение заряженных ионов. Положительные ионы движутся к отрицательному электроду – катоду, поэтому они наз. катионами; отрицательные ионы – анионы движутся к положительному электроду – аноду. Достигнув поверхности катода, катион снимает с него недостающие для нейтрализации электроны и превращается в молекулу данного вещества; в то же время анион, достигнув поверхности анода, отдает ему свои лишние электроны, также превращаясь в нейтральную молекулу. Взамен исчезнувших ионов в электролите появляются новые. Внешне явление протекает таким образом, как будто электроны от источника тока движутся по замкнутой цепи: источник – электролит – источник.

Т.о. электрический ток в электролитах представляет собой направленное движение ионов в растворе под действием электрического поля в обоих направлениях: положительных ионов к катоду и отрицательных – к аноду. Положительными ионами явл. ионы металлов и водорода, отрицательными – ионы кислотных остатков , и т.д. и гидроксила .

Законы Фарадея. Дискретность электрических зарядов.

Законы Фарадея для электролиза определяют массу вещества, выделяющуюся на электродах при электролизе.

Заряд, отдаваемый электроду ионами, равен: , где валентность иона. С другой стороны масса выделившегося на электроде вещества: , где масса одного иона. Получаем или

Первый закон Фарадея. прямо пропорциональна количеству электричества (заряду), прошедшего через электролит: , где масса выделившегося вещества, заряд, прошедший через электролит, коэффициент пропорциональности, который называется электрохимическим эквивалентом данного вещества. .

Электрохимический эквивалент вещества численно равен массе данного вещества, выделившегося из электролита на одном из электродов при прохождении через электролит единицы электрического заряда. Единицы: кг/Кл.

Известно, что в одной грамм-молекуле любого вещества (т.е. в массе вещества в граммах, численно равной молекулярному весу ) содержится одинаковое число атомов: число Авогадро. Тогда масса иона: и .

Получаем . Обозначим , где химический эквивалент вещества.

Химический эквивалент равен молярной массе , деленной на валентность . Величина безразмерная, численно равная массе данного вещества в граммах, которая замещает в химических соединениях 1,0078 г водорода.

Второй закон Фарадея. Электрохимические эквиваленты различных веществ прямо пропорциональны их химическим эквивалентам: , где или , постоянная Фарадея, .

Электрохимический эквивалент .

Выразим оба закона Фарадея одной формулой: , или . Физический смысл: для того, чтобы на электроде выделилось количество вещества, равное одному грамм-эквиваленту, т.е. , через электролит надо пропустить заряд .

Постоянная Фарадея: . Опытами установлено, что .

Электрический заряд любого иона: . Заряд одновалентного иона численно равен заряду электрона. Поэтому заряд электрона может быть вычислен: .

Удельная проводимость электролитов: , где степень диссоциации, [моль/м³] – молярная концентрация, валентность, постоянная Фарадея, и - подвижности ионов.

Величина [моль/м³] наз. эквивалентной концентрацией. Величина наз. эквивалентной проводимостью.

Плотность электрического тока в электролитах подчиняется закону Ома для плотности тока: , где напряженность поля; число ионов каждого знака (число пар ионов), находящихся в единице объема электролита.

Техническое применение электролиза основано на том, что приблизившиеся к электродам ионы превращаются в молекулы и либо выделяются из раствора на электродах, либо вступают во вторичные реакции с веществом электродов или раствора.

Задача 1. Никелирование пластинки производится при плотности тока . С какой скоростью растет толщина никеля? Молярная масса никеля , валентность , плотность .

Дано: Решение:

Пусть площадь пластинки, толщина покрытия. Тогда скорость нарастания слоя покрытия . По первому закону Фарадея масса выделившегося никеля . С другой стороны . , и

,

Ответ: .

Задача 2. Электрон виде медной пластины площадью 25 см² погружен в электролитическую ванну с раствором медного купороса. При прохождении тока, плотность которого , на пластине выделилось 100 мг меди. Определить время пропускания тока. Считать медь двухвалентной. Молярная масса меди .

Р

Дано:

, , ,

,

ешение:

По первому закону Фарадея масса выделившегося никеля , откуда . Т.к. , . Подставив численные значения, получим

О твет: .

Сопротивление электролитов уменьшается с увеличением температуры. Температурный коэффициент сопротивления электролита , где и сопротивления при температурах и С.