Ток в водных растворах

Вещества, водные растворы которых проводят эл. ток, называют электролитами. К ним относятся соли, кислоты, щёлочи и основания.

Молекулы воды и электролитов представляют собой эл. диполи. Так как молекулы электролитов более массивны по сравнению с молекулами воды, то последние, под действием сил кулоновского притяжения, группируются у соответствующих полюсов молекул электролита. Причём, так как у данной молекулы электролита скапливается большое количество молекул воды, то в её окрестности создаётся сильное электрическое поле (направленное противоположно полю молекулы электролита). Напряжённость результирующего поля молекул воды, сконцентрировавшихся у молекулы электролита, оказывается столь велика, что молекула электролита распадается на ионы (катионы и анионы), такой процесс распада

молекул называют электролитической диссоциацией. Обратному процессу, процессу объединения катионов и анионов в нейтральные молекулы, называемому рекомбинацией, препятствует сольватная оболочка, образованная окружающими ионы дипольными молекулами воды.

При создании в растворе эл. поля внешним источником тока, катионы начинают направленно двигаться вдоль , а анионы – против . Таким образом в растворе возникает ток, обусловленный встречным направленным движением разноимённых ионов. Плотность такого тока равна: , где S-площадь поперечного сосуда, - концентрации и направленные скорости катионов и анионов, соответственно.

Подходя к электродам (размещённым в растворе), ионы электролита нейтрализуются (превращаются в нейтральные атомы) и оседают на электродах (катионы - на катоде, анионы - на аноде). Выделение на электродах продуктов диссоциации, при прохождении тока через раствор, называют электролизом.

Закон Фарадея для электролиза установлен экспериментально: масса m, выделившегося на электродах вещества при электролизе, прямо пропорциональна количеству электричества (заряду) q, прошедшего через электролит:

m = k×q = k×I×Dt ,

где k - электрохимический эквивалент вещества, равный количеству вещества, выделяющемуся на электродах при прохождении через раствор заряда q=1Кл.

Применения электролиза: 1) электрорафинирование (получение химически чистых) металлов; 2) гальванопластика (получение полых копий тел); 3) никелирование (покрытие тел тонким нержавеющим слоем никеля или хрома).

Электрофорез - движение под действием электрического поля грубодисперсных (взвешенных мелких твёрдых частиц, пузырьков и т.д.) или коллоидно-дисперсных (крупные органические молекулы) заряженных частиц. Электрический заряд такие частицы приобретают или в результате ионизации, или в результате формирования на их поверхности двойного слоя элементарных зарядов. Направленная скорость таких частиц невелика »10 мкм/с.

Ионофорез - введение лекарств в организм при пропускании через него эл. тока, образованного (внутри организма) ионами лекарственного вещества, которым пропитывают тампон, подкладываемый под один из электродов.

Ток в газах

При нормальных условиях газ состоит из нейтральных молекул и поэтому не проводит электрический ток, т.е. является изолятором, что используется в воздушных линиях электропередачи (ЛЭП). Однако, если хотя бы часть молекул газа ионизирована, то он является проводником.

Ионизаторы газов: 1) различные виды электромагнитного излучения (ультрафиолетовое, рентгеновское, g-излучение и др.); 2) нагрев газа; 3) создание в газе электрического поля большой напряжённости; 4) потоки энергичных нейтронов и других частиц. В результате воздействия на газ перечисленных факторов в нём появляются свободные электроны и ионы обоих знаков. При создании в ионизированном газе электрического поля, через газ протекает эл. ток (образованный потоками и Θ свободных носителей заряда).

Электрический разряд в газе, прекращающийся после устранения ионизатора, называют несамостоятельным; непрекращающийся - самостоятельным.

Особый интерес представляет ионизация газов под действием эл. поля . В естественных условиях в газах (в частности в воздухе) всегда есть свободные носители заряда. Под действием свободные электроны и ионы приобретают направленную скорость. По достижении определённой напряжённости величины, электроны и ионы приобретают достаточную для ионизации нейтральных молекул газа кинетическую энергию. Инициируется ударная ионизация - процесс лавинообразного увеличения числа носителей заряда в сильном эл. поле, когда образующиеся при ионизации молекул ионы и электроны сами становятся ²снарядами² для обстрела нейтральных молекул газа.

Работа ионизации (равная энергии, которую должен приобрести свободный носитель заряда, чтобы ионизировать молекулу) (где l - длина свободного пробега носителя заряда) для газов составляет » 5¸25 эВ (1электрон-вольт равен Дж). Причём, ионизация газов свободными электронами происходит при В/м, а ионами - при Е В/м. Если у ускоренного носителя заряда недостаточно энергии для ионизации молекулы газа, то он только возбуждает её, переводя в более высокое энергетическое состояние; релаксируя (переходя в более низкое энергетическое состояние) молекула излучает электромагнитную волну (свет). Именно совокупность релаксирующих молекул продуктов сгорания и представляет собой пламя, цвет которого определяется видом топлива и температурой в языках пламени.

При создании в газе поля высокой напряжённости ( В/м) и определённых дополнительных условий в нём могут возникать следующие виды самостоятельных электрических разрядов:

1) Искровой разряд (пробой газа), возникает при В/м в результате ударной ионизации молекул газа единичными свободными носителями заряда, имеющимися в газе в результате случайных внешних воздействий (например, космического излучения) и ускоряемых в созданном электрическом поле большой напряжённости. При таком разряде температура газа повышается до ,сила тока достигает , время разряда . Особенность - неравномерность (прерывистость). Примеры: а) молния, б) разряд между электродами электрофорной машины.

2) Коронный разряд, возникает в неоднородных электрических полях (вблизи заострённых проводящих предметов). Примеры: а) молниеотводы (сток с острия провода электрического заряда - вот когда происходит защита от молний, а не тогда, когда молния поражает проводник), б) огни святого Эльма (возникают на выступающих частях кораблей), в) ночное свечение вокруг проводов высоковольтных ЛЭП (сопровождается характерным потрескиванием).

3) Дуговой разряд, возникает в газе между близко расположенными электродами. Источник свободных электронов - раскалённые электроды. При этом возникает ток большой плотности А/мм². Примеры: а) дуговая электросварка; б) дуговая плавильная печь; в) дуговой фонарь; г) кварцевые лампы (оболочка которых прозрачна для ультрафиолета).

4) Тлеющий разряд, возникает при низких давлениях и больших . Сопровождается сильным возбуждением молекул газа. Примеры: а) лампы "дневного" света; б) полярное сияние; в) газовые лазеры.