1.4. Занятие 4. Электрический ток в металлах, жидкостях и газах
Краткие теоретические сведения
Основные понятия
Закон Ома в дифференциальной форме (плотность электрического тока в металлах):
,
где - удельная проводимость металла; - напряженность электрического поля.
Плотность
тока
,
средняя
скорость
упорядоченного
движения носителей заряда и их
концентрация
связаны
соотношением:
Удельная электрическая проводимость:
где
и
- заряд и масса электрона;
- концентрация электронов;
- средняя длина их свободного пробега;
-
средняя скорость хаотического движения
электронов.
Средняя скорость направленного движения электронов:
Закон Джоуля-Ленца в дифференциальной форме:
где - объемная плотность тепловой мощности.
Закон Видемана-Франца:
где
- теплопроводность.
Работа выхода электронов из металла:
где
- разность потенциалов, поверхностный
скачок потенциала.
Плотность тока насыщения при термоэлектронной эмиссии:
где
- работа выхода электронов из катода,
- температура катода,
- эмиссионная постоянная,
- постоянная Больцмана.
Контактная
разность потенциалов на границе двух
металлов с концентрацией свободных
электронов
и
:
где
и
- работы выходов свободного электрона
из металлов.
Термоэлектродвижущая сила, возникающая в термопаре:
где
- удельная термо-ЭДС; (
)
– разность температур спаев термопары.
Законы электролиза Фарадея:
первый закон
где - масса вещества, выделившегося на электроде при прохождении через электролит электрического заряда ; - электрохимический эквивалент вещества;
второй закон
где
- постоянная Фарадея (
96500
Кл/моль);
- молярная масса ионов данного вещества;
- валентность ионов;
объединенный закон
где - сила тока, проходящего через электролит; - время, в течение которого шел ток.
Подвижность ионов:
где
- средняя скорость упорядоченного
движения ионов;
- напряженность электрического поля.
Закон Ома в дифференциальной форме для электролитов и газов при самостоятельном разряде в области, далекой от насыщения:
где
- заряд иона;
- концентрация ионов;
и
- подвижности соответственно положительных
и отрицательных ионов.
Плотность тока насыщения:
где
- число пар ионов, создаваемых ионизатором
в единице объема в единицу времени;
- расстояние между электродами;
где
- число пар ионов, создаваемых ионизатором
за время
в пространстве между электродами;
- объем этого пространства.
Число ионов, рекомбинирующих за единицу времени в единице объема газа:
где - коэффициент рекомбинации.
Вопросы для ответа у доски
Закон Ома в классической электронной теории.
Получите формулу для плотности тока. Запишите и проанализируйте выражение для удельной электропроводности.
Закон Видемана-Франца.
Термоэлектродвижущая сила.
Покажите, что при разных температурах контактов возникает ЭДС. Выясните, от чего она зависит. Использование термоэлементов.
Электролитическая диссоциация.
Носители тока в жидкостях. Описание процессов диссоциации и рекомбинации. Коэффициент диссоциации и его зависимость от концентрации раствора.
Электропроводность электролитов.
Рассмотрите понятие подвижности ионов. Получите закон Ома для электролитов (формула для плотности тока). Электропроводность электролита и ее зависимость от температуры.
Несамостоятельный газовый разряд.
Ионизация газов и ионизаторы. Интенсивность ионизации. Получите формулу связи между плотностью тока, концентрацией ионов и интенсивностью ионизации. Рассмотрите предельные случаи слабого и сильного полей. Переменное сопротивление газового промежутка.