3.8.5. Ток в жидкостях. Электролиз. Законы Фарадея

Электролитами называются вещества, молекулы которых состоят из ионов противоположных знаков, удерживаемых друг около друга кулоновскими силами притяжения. К электролитам относятся соли, кислоты, щелочи. При растворении электролитов в воде большинство молекул распадаются на ионы, и это явление называется электролитической диссоциацией. В отсутствие электрического поля ионы электролита движутся хаотически. При наличии поля движение ионов упорядочивается, в жидкости возникает электрический ток, обусловленный встречным движением разноименных ионов. Такого рода проводимость называется ионной.

Выделение на электродах первичных или вторичных продуктов разложения раствора при прохождении через него электрического тока называется электролизом. Количественные закономерности электролиза установил М. Фарадей. Первый закон Фарадея читается так: масса вещества М, выделяющегося на электроде, пропорциональна количеству электричества q, прошедшего через раствор: M=Kq=KIt, где I - сила тока; К - электрохимический эквивалент вещества; t — время. Второй закон Фарадея читается: электрохимический эквивалент вещества пропорционален его химическому эквиваленту: , где- химический эквивалент вещества;Z - валентность; А - атомный вес вещества; F- постоянная Фарадея (F = 96484 ).

Электролиз находит весьма широкое применение в технике. Электролизом получают некоторые металлы (например, алюминий из расплава бокситов, содержащих окисел А1₂Оз) и очищают от примесей многие металлы. Электролизом соответствующих растворов получают некоторые газы (кислород, водород, хлор и т.д.) и тяжелую воду (D₂O). Посредством электролиза различные изделия покрывают слоем металлов (гальваностегия), а также изготавливают рельефные металлические копии нужных изделий, например, типографское клише (гальванопластика). На электролизе основана зарядка аккумуляторов.

Отметим, что все жидкости в организмах животных и растений являются растворами электролитов. Поэтому постоянный ток через живой организм сопровождается химическими реакциями и перераспределением электрических зарядов в организме, что вызывает в нем разнообразные раздражения. Интенсивность раздражения главным образом определяется силой тока. Сила тока, проходящего через организм человека, зависит от его электросопротивления, которое, в основном, определяется сопротивлением кожи.

3.8.6. Газовые разряды. Плазма

Электрическим разрядом в газах называется процесс перемещения электрических зарядов в пространстве, заполненном газом или парами металлов, протекающий под действием электрического поля.

Существуют следующие главные формы газового разряда: темный, тлеющий и дуговой. Кроме того, существуют также переходные формы разряда - искровой, коронный, а также особые формы разряда - безэлектродный и импульсный.

Для характеристики состояния вещества в условиях электрического разряда было введено понятие о газоразрядной плазме, а затем обобщенно на другие явления природы. Под плазмой понимают газ, состоящий из положительно и отрицательно заряженных частиц в таких пропорциях, что общий заряд равен нулю и обладающий хорошей электропроводностью и собственным свечением.

Говоря о плазме как о четвертом состоянии вещества, следует подчеркнуть величайший интерес к изучению ее свойств в настоящее время, определяемый следующими причинами:

1. Плазма является основным состоянием вещества в известной нам части вселенной, а не изредка встречающимся состоянием газа (99% массы всей солнечной системы).

2. Второй причиной является все растущее значение приборов, использующих плазму в уже сложившихся областях техники(радиоэлектроника, спектральный анализ, электросварка, плазмохимия и др.).

3. Третья причина — это совершенно необычные свойства плазмы, которые сулят возможность новых, неожиданных ее применений.

В известной нам части плазма тлеющего разряда используется в лампах дневного света, в газоразрядных трубках, заполненных гелием, неоном или другими газами, для декоративных и рекламных целей. Искровой разряд используется для предохранения электрических линий передач от перенапряжения (искровой

разрядник), а также для воспламенения горючей смеси в двигателе внутреннего сгорания. На искровом разряде основана электроискровая обработка металлов (резание, сверление, доводка и т.д.).

Дуговой разряд используется для сварки металлов, выплавки специальных сталей (дуговая печь), освещения (дуговой фонарь, прожектор), в качестве источника ультрафиолетовых лучей (ртутные дуговые Лампы). В устройствах для получения стабильных струй плазмы (плазматронах) дуговой разряд используется с успехом как источник тепла для химико-металлургической и технологической обработки самых разнообразных материалов, что значительно повышает эффективность этих процессов.

С помощью плазматронов, например, в строительстве освоена технология изготовления фундаментов на месте объекта из любого грунта, а в промышленности получают ряд тугоплавких порошков, которые практически нельзя получить другими способами. Порошковая технология в металлургии получает широкое применение из-за возможности повышения прочности, особенно в области высоких температур, и коррозиусточивости. Например, напыление порошка на поверхность стальных деталей практически в 10 раз увеличивает их стойкость к коррозии. Огромный экономический эффект дает метод восстановления изношенных де­талей. Нанося порошок на поверхность, восстанавливают детали. И здесь экономия огромна: не надо делать новые детали, тратя на это материалы, энергию, груд.

Широко используются и электронно-лучевые установки. На них можно производить следующие технологические процессы: локальный переплав, плавку, сварку (особенно в космосе, где условия подходящие), испарение материалов, размерную обработку, термообработку и другие.

В настоящее время все большее значение приобретают металлические монокристаллы высокой частоты из-за весьма полезных свойств в технике. Например, обычное железо хрупко при температуре - 40°С, а чистое железо пластично при температуре -196°С. Для получения металлического монокристалла применяются ряд методов. Один из самых распространенных - зонная плавка электронным лучом. Этот метод обеспечивает высокую степень чистоты металла и обработку деталей любой твердости.

Принципиально новые технологии позволяют создать выведенный в атмосферу концентрированный пучок электронов.

Выпускаемые промышленностью полностью автоматизированные установки обеспечивают электронные пучки с энергией 1,5 - 2,0 МэВ и мощностью сотни киловатт. Область их применения весьма широка от очистки воды, зерна, медицинских инструментов до металлургических процессов.