Електродинаміка

За умовою задачі вона дорівнює концентрації атомів мі-

Відповідь: v ≈ 2,38 см/с .

3.Струми провідності

3.1.Електричний струм у металах.

Контактна різниця потенціалів. Явище Пельтьє

Струм у металах — упорядковане переміщення вільних електронів під дією електричного поля:

I = envS ,

де e — заряд електрона; n — концентрація вільних електронів; v — швидкість дрейфу електронів.

236

3. Струми провідності

Вольт-амперна характеристика струму в металах випли-

ває із закону Ома (рис. 190).

I

O U

Рис. 190

Контактна різниця потенціалів виникає при контакті різних металів (рис. 191) і близька до лінійної функції абсолютної температури.

Рис. 191

Термопара — електричне коло із двох різних металів (сплавів), у якому виникає термоелектрорушійна сила, прямо пропорційна різниці температур (T2 −T1 ) у контак-

тах A, B (рис. 192):

Eтерм =U1,2 +U2,1 ,

I = EтермR .

Приклади термопар: мідь — константан, платина — за-

лізо.

Термобатарея — послідовне з’єднання кількох тер­ мопар.

Явище Пельтьє — нагрівання або охолодження контакту термопари А, В при проходженні струму (рис. 193). Контакт A охолоджується, а контакт B нагрівається.

237

Електродинаміка

3.2. Струм в електролітах

Електроліти — це водні розчини солей, кислот і основ, а також їхні розплави, у яких носіями струму є іони.

Наприклад, це розчин NaCl, CuSO4, розплав NaOH.

3.2.1. Електролітична дисоціація

При розчиненні солей, кислот і основ у воді йонний

зв’язок у них стає слабкішим в ε разів, і при теплових співударах їхні молекули розпадаються на йони — електролітична дисоціація (рис. 194):

KBr ↔ K+ +Br− .

Рекомбінація — об’єднання йонів різних знаків у ней­ тральні молекули — процес, протилежний дисоціації.

Механізм іонної провідності: під дією електричного поля позитивні йони рухаються до катода (катіони), а негативні — до анода (аніони) і замикають електричне коло. При цьому разом з зарядом переноситься речовина (рис. 195).

238

3. Струми провідності

3.2.2. Закон електролізу. Застосування електролізу

Електроліз — виділення речовини на електродах при проходженні струму через електроліт. Електроліз супрово-

джується окисно-відновними реакціями.

Закон електролізу (закон Фарадея): маса виділеної­ на електроді речовини прямо пропорційна заряду, що пройшов

через електроліт:

m = kq .

Тут k — електрохімічний еквівалент речовини:

де n — валентність.

Стала Фарадея (F) чисельно дорівнює електричному заряду, який треба пропустити через електроліт для виділен-

ня на електроді маси будь-якої речовини, що дорівнює в кг

відношенню Mn , де n — валентність речовини; eNA = F — стала Фарадея;

F =9,648 107 Кл/кмоль.

Електричний заряд (q) будь-якого йона:

q = ± nF . NA

Заряд одновалентного йона дорівнює за абсолютною величиною значенню заряду електрона:

e =1,6 10−19 Кл.

ЕРС поляризації

Металеві електроди частково дисоціюють в електроліт у вигляді позитивних іонів. При цьому на електродах звільняються електрони. У результаті виникають сторонні сили, протилежні стороннім силам джерела струму. Мірою пито-

мої роботи Aст цих сил є величина, що називається ЕРС q

поляризації (рис. 196):

239

Електродинаміка

Рис. 196

Застосування електролізу І. Гальванотехніка:

а) гальваностегія — покриття деталей тонким шаром ме-

талу (позолота, нікелювання, хромування тощо); б) гальванопластика — відкладення товстого шару мета-

лу, який відшаровується і використовується самостійно (отримання матриць для друкарських пластинок,

барельєф і т. п.).

ІІ. Електрометалургія — виділення чистих металів із природних сумішей та промислових відходів (міді із мідного колчедану, алюмінію із розплавленого бокситу, срібла із

відходів фотовиробництва).

ІІІ. Очищення металевих деталей (деталь є анодом)­ .

3.3.Електричний струм у газах (газовий розряд)

За нормальних умов гази майже повністю складаються із нейтральних атомів (молекул) і є діелектриками.

Унаслідок нагрівання або впливу випромінювання частина атомів іонізується — поділяється на позитивно заряджені йони й електрони (рис. 197, а). При з’єднанні електронів з нейтральними атомами утворюються і негативно заряджені йони (крім інертних газів та азоту). У йонізованому газі, як і в електролітах, також відбувається рекомбінація атомів (рис. 197, б).

Провідність іонізованого газу йонно-електронна.

240

3. Струми провідності

Рис. 197

Вольт-амперна характеристика газового розряду

(рис. 198).

Рис. 198

При I = Iнасичення (Iнас ) іони й електрони, які утворюються під дією іонізатора, досягають електродів (відсут-

ня рекомбінація). Ділянка графіка 0AB — несамостійний розряд, ділянка BC відповідає­ самостійному розряду

в газах.

3.3.1.Самостійний розряд

Самостійний розряд відбувається внаслідок іонізації електронним ударом (рис. 199) й електронної­ емісії.

При виникненні самостійного розряду кінетична­ енергія електронів, які прискорюються електричним полем, переважає роботу виходу електронів із атомів. Число електронів і позитивних іонів різко зростає — виникає лавина електронів і йонів. Позитивні йони, розігнані електричним

241

Електродинаміка

полем, бомбардують катод і вибивають з його поверхні нові електрони (електронна емісія):

де l — довжина вільного пробігу.

Рис. 199

3.3.2 Електрична дуга

Електрична дуга є формою самостійного розряду, який виникає при великій густині струму і порівняно­ невеликий напрузі між електродами.

При з’єднанні двох електродів (рис. 200, а) контакт (якщо його площа невелика) має великий опір й інтенсивно нагрівається. Основною причиною дугового розряду є інтенсивна термоелектронна емісія розжареного катода. Анод бомбардується електронами — утворюється заглиблення (кратер), і температура анода збільшується. Між електродами виникає стовп яскравого світного газу: випромінювання

Рис. 200

242

3. Струми провідності

світла атомами газу, збуджуваними при зіткненні з позитивними йонами газу і електронами. Температура газу в каналі дуги досягає 5000—6000 °С, виникає конвекційний потік, що відхиляє дугу вгору (рис. 200, б).

Застосування електричної дуги: електрозварювання, електрорізка, потужні джерела світла.

3.3.3. Розряд у розріджених газах — тліючий розряд. Блискавка. Плазма

Розряд в розріджених газах (рис. 201) — приклад само-

стійного розряду. При тиску до:

—50 мм рт. ст.— спостерігається іскровий розряд;

—0,5 мм рт. ст.— плазмовий шнур;

—0,02 мм рт. ст.— тліючий розряд (суцільний потік електронів і йонів);

—10−4 мм рт. ст.— катодні промені (потік електронів із катода).

243