3.2.5. Электрический ток в растворах и расплавах электролитов. Электролиз. Законы Фарадея для электролиза. Применение электролиза

Электролитическая диссоциация – явление распада нейтральных молекул растворенного вещества на ионы в присутствии молекул растворителя.

Причина электролитической диссоциации: 1) тепловое движение молекул растворенного вещества; 2) взаимодействие полярных молекул растворенного вещества с полярными молекулами растворителя.

Степень диссоциации раствора зависит от: 1) температуры; 2) концентрации раствора; 3) диэлектрической проницаемости ε растворителя.

Рекомбинация – явление объединения ионов противоположных знаков в нейтральную молекулу.

В отсутствие электрического поля в объеме электролита устанавливается динамическое равновесие между процессами диссоциации и рекомбинации.

При создании в объеме электролита электрического поля ионы противоположных знаков придут в упорядоченное движение (т.е. будет существовать электрический ток): положительные ионы (катионы) – к катоду, отрицательные ионы (анионы) – к аноду.

Электрическая проводимость электролитов – ионная.

Электролиз – процесс выделения на электродах вещества, связанный с окислительно-восстановительными реакциями.

Закон Фарадея для электролиза: масса m вещества, выделившегося на электроде за время Δt, пропорциональна силе тока и времени.

Формула, выражающая закон Фарадея для электролиза: m = kΔq = kIΔt, где Δq = = IΔt – заряд, перенесенный через раствор электролита за время Δt, k – коэффициент пропорциональности (электрохимический эквивалент вещества), I – сила тока.

, где Кл – модуль заряда электрона, – число Авогадро, n – валентность химического элемента, μ – его молярная масса.

Применение электролиза: 1) электролиз металлов; 2) рафинирование металлов (очистка от примесей); 3) гальваностѐгия – покрытие поверхности одного металла другим металлом (хромирование, никелирование, омеднение и т. д.); 4) гальванопластика – получение копий с рельефных поверхностей (медалей, монет, скульптур, граммофонных пластинок и т. д.); 5) полировка металлов.

3.2.6. Электрический ток в газах. Самостоятельный и несамостоятельный газовый разряд. Виды самостоятельного разряда. Понятие о плазме. Мгд – генератор

В обычном состоянии газы – диэлектрики.

Ионизация газов – создание в объеме газа заряженных частиц (ионов и электронов).

Способы ионизации газа: 1) нагрев; 2) действие ультрафиолетового, рентгеновского и радиоактивного излучения; 3) бомбардировка атомов (молекул) газа быстрыми ионами или электронами.

Ионизатор – устройство, создающее в объеме газа пáры «ион-электрон».

Рекомбинация – процесс воссоединения ионов и электронов в нейтральный атом (молекулу).

При неизменном действии ионизатора в объеме ионизированного газа устанавливается динамическое равновесие между процессами ионизации и рекомбинации.

Для создания электрического тока в объеме, занятом ионизированным газом, нужно создать электрическое или магнитное поле.

Проводимость ионизированного газа ионно-электронная.

Газовый разряд – электрический ток в газе.

Два вида газового разряда: 1) несамостоятельный; 2) самостоятельный.

Несамостоятельный газовый разряд – разряд, который прекращается после прекращения действия ионизатора.

Состояние насыщения – состояние электропроводности газа, при котором сила тока не увеличивается при росте напряжения.

Ток насыщения – максимальная сила тока, возможная при данной интенсивности ионизации.

Формула для расчета тока насыщения: , где I_н – сила тока насыщения, е – модуль заряда электрона, N₀ – максимальное число пар одновалентных ионов, образовавшихся в объеме газа за 1с.

Самостоятельный газовый разряд – разряд в газе, который может существовать без действия ионизатора (за счет ударной ионизации).

Ударная ионизация – отрыв от атома (молекулы) газа одного или нескольких электронов, вызванный соударением с атомами (молекулами) газа электронов или ионов, ускоренных электрическим полем в разряде.

Условие возникновения ударной ионизации одноатомного газа:

, где m – масса налетающей частицы (иона или электрона), – скорость иона или электрона перед ударом, M – масса атома, А_и – работа ионизации.

Виды самостоятельного разряда: 1) коронный; 2) электрическая дуга; 3) тлеющий; 4) искровой.

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

Свойства плазмы: 1) легкое перемещение частиц плазмы под действием электрических и магнитных полей; 2) действие между заряженными частицами плазмы кулоновских сил, медленно убывающих c расстоянием; 3) участие частиц плазмы в разнообразных упорядоченных (коллективных) движениях; 4) легкое возбуждение в объеме плазмы разного рода колебаний и волн; 5) рост электропроводности с ростом степени ионизации; 6) близость электропроводности высокотемпературной плазмы к сверхпроводникам.

МГД-генератор (магнитогидродинамический генератор) – генератор электрического тока, в котором разделение электрических зарядов происходит при движении потока горячей плазмы в магнитном поле.

3.2.7. Электрический ток в вакууме. Термоэлектронная эмиссия. Работа выхода электрона из металла. Вакуумный диод. Свойства электронных пучков и их применение. Электронно-лучевая трубка (основные узлы, принцип действия, применение)

Вакуум – состояние газа, при котором длина свободного пробега молекул сравнима с размерами сосуда ( т.е. молекулы газа при движении от одной стенки сосуда к другой не испытывают соударений).

В состоянии вакуума газ – диэлектрик, так как в нем отсутствуют (или почти отсутствуют) свободные носители заряда.

Термоэлектронная эмиссия – явление испускания электронов нагретыми металлами.

Для создания электрического тока в вакууме в сосуд вводят свободные носители заряда (с помощью термоэлектронной эмиссии).

Электрическая проводимость вакуума - электронная.

Работа выхода электрона из металла – работа, которую необходимо совершить для удаления электрона из металла в вакуум.

Вакуумный диод – вакуумированный баллон с двумя электродами (катодом и анодом).

В ольт-амперная характеристика вакуумного диода – нелинейная (рис. 20).

Электрическая проводимость вакуумного диода – односторонняя.

Вакуумные диоды применяются для выпрямления переменного электрического тока (кенотроны).

Свойства электронных пучков: 1) нагрев тел, на которые они попадают; 2) возникновение рентгеновского излучения при торможении быстрых электронов в веществе; 3) свечение некоторых веществ (стекло, сульфиды цинка и кадмия), бомбардируемых электронами (такие материалы называют люминофорами); 4) отклонение электрическим полем; 5) отклонение магнитным полем.

Применение электронных пучков: 1) плавка сверхчистых металлов в вакууме; 2) рентгеновская трубка; 3) свечение покрытого люминофором экрана; 4) электронно-лучевая трубка.

Электронно-лучевая трубка (ЭЛТ) – устройство, основанное на явлении термоэлектронной эмиссии с подогретого катода.

Электронно-лучевая трубка состоит из: 1) электронной пушки; 2) двух пар отклоняющих пластин (или магнитной катушки); 3) экрана, покрытого люминесцирующим веществом (люминофором).

Принцип действия ЭЛТ: электронный пучок, созданный электронной пушкой, ускоряется в электрическом поле между катодом и анодом и попадает на экран; движением электронного луча по экрану управляют электрические поля, существующие между отклоняющими пластинами (или изменяющееся магнитное поле катушки с током, надетой на горловину трубки).

Применение ЭЛТ: 1) телевизор; 2) осциллограф (прибор для изучения быстропеременных процессов); 3) дисплей.