Ηλεκτρικό ρεύμα σε υγρά. Μετακίνηση φορτίων, κατιόντα ανιόντων. Ηλεκτρικό ρεύμα στα υγρά: η προέλευσή του, ποσοτικά και ποιοτικά χαρακτηριστικά Τι δημιουργεί ρεύμα στα υγρά

Σχηματίζεται από την κατευθυνόμενη κίνηση των ελεύθερων ηλεκτρονίων και ότι στην περίπτωση αυτή δεν συμβαίνουν αλλαγές στην ουσία από την οποία είναι κατασκευασμένος ο αγωγός.

Τέτοιοι αγωγοί, στους οποίους η διέλευση ηλεκτρικού ρεύματος δεν συνοδεύεται από χημικές αλλαγές στην ουσία τους, ονομάζονται μαέστροι πρώτου είδους. Αυτά περιλαμβάνουν όλα τα μέταλλα, τον άνθρακα και μια σειρά από άλλες ουσίες.

Υπάρχουν όμως και τέτοιοι αγωγοί ηλεκτρικού ρεύματος στη φύση, στους οποίους συμβαίνουν χημικά φαινόμενα κατά τη διέλευση του ρεύματος. Αυτοί οι αγωγοί ονομάζονται αγωγοί δευτέρου είδους. Αυτά περιλαμβάνουν κυρίως διάφορα διαλύματα σε νερό οξέων, αλάτων και αλκαλίων.

Εάν ρίξετε νερό σε ένα γυάλινο δοχείο και προσθέσετε μερικές σταγόνες θειικού οξέος (ή κάποιο άλλο οξύ ή αλκάλιο) σε αυτό, και στη συνέχεια πάρετε δύο μεταλλικές πλάκες και συνδέσετε αγωγούς σε αυτές χαμηλώνοντας αυτές τις πλάκες στο δοχείο και συνδέστε ένα ρεύμα πηγή στα άλλα άκρα των αγωγών μέσω ενός διακόπτη και ενός αμπερόμετρου, τότε θα απελευθερωθεί αέριο από το διάλυμα και θα συνεχίσει συνεχώς μέχρι να κλείσει το κύκλωμα. Το οξινισμένο νερό είναι πράγματι αγωγός. Επιπλέον, οι πλάκες θα αρχίσουν να καλύπτονται με φυσαλίδες αερίου. Τότε αυτές οι φυσαλίδες θα ξεκολλήσουν από τα πιάτα και θα βγουν έξω.

Όταν ένα ηλεκτρικό ρεύμα διέρχεται από το διάλυμα, συμβαίνουν χημικές αλλαγές, με αποτέλεσμα να απελευθερώνεται αέριο.

Οι αγωγοί του δεύτερου είδους ονομάζονται ηλεκτρολύτες και το φαινόμενο που εμφανίζεται στον ηλεκτρολύτη όταν τον διαπερνά ηλεκτρικό ρεύμα είναι.

Οι μεταλλικές πλάκες που βυθίζονται στον ηλεκτρολύτη ονομάζονται ηλεκτρόδια. ένα από αυτά, συνδεδεμένο με τον θετικό πόλο της πηγής ρεύματος, ονομάζεται άνοδος και το άλλο, συνδεδεμένο με τον αρνητικό πόλο, ονομάζεται κάθοδος.

Τι προκαλεί τη διέλευση ηλεκτρικού ρεύματος σε έναν αγωγό υγρού; Αποδεικνύεται ότι σε τέτοια διαλύματα (ηλεκτρολύτες), τα μόρια οξέος (αλκάλια, άλατα) υπό τη δράση ενός διαλύτη (στην περίπτωση αυτή, του νερού) αποσυντίθενται σε δύο συστατικά και ένα σωματίδιο του μορίου έχει θετικό ηλεκτρικό φορτίο και το άλλο αρνητικό.

Τα σωματίδια ενός μορίου που έχουν ηλεκτρικό φορτίο ονομάζονται ιόντα. Όταν ένα οξύ, άλας ή αλκάλιο διαλύεται στο νερό, εμφανίζεται ένας μεγάλος αριθμός θετικών και αρνητικών ιόντων στο διάλυμα.

Τώρα θα πρέπει να γίνει σαφές γιατί ένα ηλεκτρικό ρεύμα πέρασε μέσα από τη λύση, επειδή μεταξύ των ηλεκτροδίων που συνδέονται με την πηγή ρεύματος, δημιουργήθηκε, με άλλα λόγια, το ένα αποδείχθηκε ότι ήταν θετικά φορτισμένο και το άλλο αρνητικά. Υπό την επίδραση αυτής της διαφοράς δυναμικού, τα θετικά ιόντα άρχισαν να κινούνται προς το αρνητικό ηλεκτρόδιο - την κάθοδο, και τα αρνητικά ιόντα - προς την άνοδο.

Έτσι, η χαοτική κίνηση των ιόντων έχει γίνει μια διατεταγμένη αντίστροφη κίνηση αρνητικών ιόντων προς τη μία κατεύθυνση και θετικών προς την άλλη. Αυτή η διαδικασία μεταφοράς φορτίου συνιστά τη ροή ηλεκτρικού ρεύματος μέσω του ηλεκτρολύτη και συμβαίνει όσο υπάρχει διαφορά δυναμικού μεταξύ των ηλεκτροδίων. Με την εξαφάνιση της διαφοράς δυναμικού, το ρεύμα μέσω του ηλεκτρολύτη σταματά, η ομαλή κίνηση των ιόντων διαταράσσεται και η χαοτική κίνηση επανέρχεται.

Ως παράδειγμα, εξετάστε το φαινόμενο της ηλεκτρόλυσης όταν ένα ηλεκτρικό ρεύμα διέρχεται από ένα διάλυμα θειικού χαλκού CuSO4 με ηλεκτρόδια χαλκού χαμηλωμένα σε αυτό.

Το φαινόμενο της ηλεκτρόλυσης όταν το ρεύμα διέρχεται από διάλυμα θειικού χαλκού: C - δοχείο με ηλεκτρολύτη, B - πηγή ρεύματος, C - διακόπτης

Θα υπάρχει επίσης αντίστροφη κίνηση ιόντων προς τα ηλεκτρόδια. Το θετικό ιόν θα είναι το ιόν χαλκού (Cu) και το αρνητικό ιόν θα είναι το ιόν του υπολείμματος οξέος (SO4). Τα ιόντα χαλκού, όταν έρθουν σε επαφή με την κάθοδο, θα αποφορτιστούν (συνδέοντας τα ηλεκτρόνια που λείπουν στον εαυτό τους), δηλαδή θα μετατραπούν σε ουδέτερα μόρια καθαρού χαλκού και θα εναποτεθούν στην κάθοδο με τη μορφή του λεπτότερου (μοριακού) στρώματος.

Τα αρνητικά ιόντα, αφού φτάσουν στην άνοδο, αποφορτίζονται επίσης (διώχνουν περίσσεια ηλεκτρονίων). Ταυτόχρονα όμως μπαίνουν σε χημική αντίδραση με τον χαλκό της ανόδου, με αποτέλεσμα να προσκολλάται ένα μόριο χαλκού Cu στο όξινο υπόλειμμα SO4 και να σχηματίζεται ένα μόριο θειικού χαλκού CuS O4, το οποίο επιστρέφει πίσω στον ηλεκτρολύτη.

Δεδομένου ότι αυτή η χημική διαδικασία διαρκεί πολύ, ο χαλκός εναποτίθεται στην κάθοδο, ο οποίος απελευθερώνεται από τον ηλεκτρολύτη. Σε αυτή την περίπτωση, αντί για τα μόρια χαλκού που έχουν πάει στην κάθοδο, ο ηλεκτρολύτης λαμβάνει νέα μόρια χαλκού λόγω της διάλυσης του δεύτερου ηλεκτροδίου - της ανόδου.

Η ίδια διαδικασία συμβαίνει εάν ληφθούν ηλεκτρόδια ψευδαργύρου αντί για χαλκό και ο ηλεκτρολύτης είναι διάλυμα θειικού ψευδαργύρου ZnSO4. Ο ψευδάργυρος θα μεταφερθεί επίσης από την άνοδο στην κάθοδο.

Ετσι, διαφορά μεταξύ ηλεκτρικού ρεύματος σε μέταλλα και αγωγούς υγρώνέγκειται στο γεγονός ότι στα μέταλλα μόνο τα ελεύθερα ηλεκτρόνια, δηλαδή τα αρνητικά φορτία, είναι φορείς φορτίου, ενώ στους ηλεκτρολύτες μεταφέρεται από αντίθετα φορτισμένα σωματίδια ύλης - ιόντα που κινούνται σε αντίθετες κατευθύνσεις. Γι' αυτό το λένε οι ηλεκτρολύτες έχουν ιοντική αγωγιμότητα.

Το φαινόμενο της ηλεκτρόλυσηςανακαλύφθηκε το 1837 από τον B. S. Jacobi, ο οποίος πραγματοποίησε πολυάριθμα πειράματα για τη μελέτη και τη βελτίωση των πηγών χημικού ρεύματος. Ο Jacobi βρήκε ότι ένα από τα ηλεκτρόδια που τοποθετούνται σε διάλυμα θειικού χαλκού, όταν το διαπερνά ηλεκτρικό ρεύμα, καλύπτεται με χαλκό.

Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται επιμετάλλωση, βρίσκει πλέον εξαιρετικά ευρεία πρακτική εφαρμογή. Ένα παράδειγμα αυτού είναι η επίστρωση μεταλλικών αντικειμένων με ένα λεπτό στρώμα άλλων μετάλλων, δηλαδή επινικελίωση, επιχρύσωση, επάργυρη κ.λπ.

Τα αέρια (συμπεριλαμβανομένου του αέρα) δεν μεταφέρουν ηλεκτρισμό υπό κανονικές συνθήκες. Για παράδειγμα, οι γυμνοί, αιωρούμενοι παράλληλα μεταξύ τους, απομονώνονται το ένα από το άλλο με ένα στρώμα αέρα.

Ωστόσο, υπό την επίδραση της υψηλής θερμοκρασίας, μιας μεγάλης διαφοράς δυναμικού και άλλων λόγων, τα αέρια, όπως οι υγροί αγωγοί, ιονίζονται, δηλαδή εμφανίζονται σε αυτά σε μεγάλους αριθμούς σωματίδια μορίων αερίου, τα οποία, ως φορείς ηλεκτρικής ενέργειας, συμβάλλουν στη διέλευση ηλεκτρικού ρεύματος μέσω του αερίου.

Αλλά ταυτόχρονα, ο ιονισμός ενός αερίου διαφέρει από τον ιονισμό ενός αγωγού υγρού. Εάν ένα μόριο διασπαστεί σε δύο φορτισμένα μέρη σε ένα υγρό, τότε στα αέρια, υπό τη δράση ιονισμού, τα ηλεκτρόνια διαχωρίζονται πάντα από κάθε μόριο και ένα ιόν παραμένει με τη μορφή ενός θετικά φορτισμένου μέρους του μορίου.

Αρκεί να σταματήσει ο ιονισμός του αερίου, καθώς παύει να είναι αγώγιμο, ενώ το υγρό παραμένει πάντα αγωγός ηλεκτρικού ρεύματος. Κατά συνέπεια, η αγωγιμότητα ενός αερίου είναι ένα προσωρινό φαινόμενο, ανάλογα με τη δράση εξωτερικών αιτιών.

Ωστόσο, υπάρχει ένα άλλο που ονομάζεται εκκένωση τόξουή απλώς ένα ηλεκτρικό τόξο. Το φαινόμενο του ηλεκτρικού τόξου ανακαλύφθηκε στις αρχές του 19ου αιώνα από τον πρώτο Ρώσο ηλεκτρολόγο μηχανικό V. V. Petrov.

Ο V. V. Petrov, κάνοντας πολλά πειράματα, ανακάλυψε ότι ανάμεσα σε δύο κάρβουνα που συνδέονται με μια πηγή ρεύματος, εμφανίζεται μια συνεχής ηλεκτρική εκκένωση μέσω του αέρα, συνοδευόμενη από ένα έντονο φως. Στα γραπτά του, ο V. V. Petrov έγραψε ότι σε αυτή την περίπτωση, «η σκοτεινή ειρήνη μπορεί να φωτιστεί αρκετά έντονα». Έτσι, για πρώτη φορά αποκτήθηκε ηλεκτρικό φως, το οποίο εφαρμόστηκε πρακτικά από έναν άλλο Ρώσο ηλεκτρολόγο Pavel Nikolaevich Yablochkov.

Το "Yablochkov's Candle", το έργο του οποίου βασίζεται στη χρήση ηλεκτρικού τόξου, έκανε μια πραγματική επανάσταση στην ηλεκτρική μηχανική εκείνη την εποχή.

Η εκκένωση τόξου χρησιμοποιείται ως πηγή φωτός ακόμη και σήμερα, για παράδειγμα, σε προβολείς και προβολείς. Η υψηλή θερμοκρασία της εκκένωσης τόξου επιτρέπει τη χρήση του για . Επί του παρόντος, οι κάμινοι τόξου που τροφοδοτούνται από πολύ υψηλό ρεύμα χρησιμοποιούνται σε διάφορες βιομηχανίες: για την τήξη χάλυβα, χυτοσιδήρου, σιδηροκράματα, μπρούτζου κ.λπ. Και το 1882 ο Ν. Ν. Μπενάρδος χρησιμοποίησε για πρώτη φορά εκκένωση τόξου για κοπή και συγκόλληση μετάλλου.

Σε σωλήνες φωτός αερίου, λαμπτήρες φθορισμού, σταθεροποιητές τάσης, για τη λήψη δέσμης ηλεκτρονίων και ιόντων, τα λεγόμενα εκκένωση αερίου λάμψης.

Μια εκκένωση σπινθήρα χρησιμοποιείται για τη μέτρηση μεγάλων διαφορών δυναμικού χρησιμοποιώντας ένα διάκενο μπάλας, τα ηλεκτρόδια του οποίου είναι δύο μεταλλικές μπάλες με γυαλισμένη επιφάνεια. Οι μπάλες απομακρύνονται και εφαρμόζεται μια μετρημένη διαφορά δυναμικού σε αυτές. Στη συνέχεια, οι μπάλες ενώνονται μέχρι να πηδήξει μια σπίθα ανάμεσά τους. Γνωρίζοντας τη διάμετρο των σφαιρών, την απόσταση μεταξύ τους, την πίεση, τη θερμοκρασία και την υγρασία του αέρα, βρίσκουν τη διαφορά δυναμικού μεταξύ των σφαιρών σύμφωνα με ειδικούς πίνακες. Αυτή η μέθοδος μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη μέτρηση, εντός λίγων τοις εκατό, διαφορών δυναμικού της τάξης των δεκάδων χιλιάδων βολτ.

Όλοι είναι εξοικειωμένοι με τον ορισμό του ηλεκτρικού ρεύματος. Αναπαρίσταται ως κατευθυνόμενη κίνηση φορτισμένων σωματιδίων. Μια τέτοια κίνηση σε διαφορετικά περιβάλλοντα έχει θεμελιώδεις διαφορές. Ως βασικό παράδειγμα αυτού του φαινομένου, μπορεί κανείς να φανταστεί τη ροή και τη διάδοση του ηλεκτρικού ρεύματος στα υγρά. Τέτοια φαινόμενα χαρακτηρίζονται από διαφορετικές ιδιότητες και διαφέρουν σοβαρά από τη διατεταγμένη κίνηση των φορτισμένων σωματιδίων, η οποία συμβαίνει υπό κανονικές συνθήκες όχι υπό την επίδραση διαφόρων υγρών.

Εικόνα 1. Ηλεκτρικό ρεύμα σε υγρά. Author24 - διαδικτυακή ανταλλαγή φοιτητικών εγγράφων

Σχηματισμός ηλεκτρικού ρεύματος σε υγρά

Παρά το γεγονός ότι η διαδικασία αγωγής του ηλεκτρικού ρεύματος πραγματοποιείται μέσω μεταλλικών συσκευών (αγωγών), το ρεύμα στα υγρά εξαρτάται από την κίνηση των φορτισμένων ιόντων που έχουν αποκτήσει ή χάσει τέτοια άτομα και μόρια για κάποιο συγκεκριμένο λόγο. Ένας δείκτης μιας τέτοιας κίνησης είναι μια αλλαγή στις ιδιότητες μιας συγκεκριμένης ουσίας, όπου περνούν τα ιόντα. Έτσι, είναι απαραίτητο να βασιστούμε στον βασικό ορισμό του ηλεκτρικού ρεύματος προκειμένου να διαμορφώσουμε μια συγκεκριμένη έννοια του σχηματισμού ρεύματος σε διάφορα υγρά. Καθορίζεται ότι η αποσύνθεση αρνητικά φορτισμένων ιόντων συμβάλλει στη μετακίνηση προς την περιοχή της πηγής ρεύματος με θετικές τιμές. Τα θετικά φορτισμένα ιόντα σε τέτοιες διεργασίες θα κινηθούν προς την αντίθετη κατεύθυνση - προς μια πηγή αρνητικού ρεύματος.

Οι αγωγοί υγρών χωρίζονται σε τρεις κύριους τύπους:

• ημιαγωγοί?
• διηλεκτρικά?
• αγωγοί.

Ορισμός 1

Η ηλεκτρολυτική διάσταση είναι η διαδικασία αποσύνθεσης μορίων ενός συγκεκριμένου διαλύματος σε αρνητικά και θετικά φορτισμένα ιόντα.

Μπορεί να διαπιστωθεί ότι ένα ηλεκτρικό ρεύμα στα υγρά μπορεί να συμβεί μετά από αλλαγή στη σύνθεση και τις χημικές ιδιότητες των υγρών που χρησιμοποιούνται. Αυτό έρχεται σε πλήρη αντίθεση με τη θεωρία της διάδοσης του ηλεκτρικού ρεύματος με άλλους τρόπους όταν χρησιμοποιείται ένας συμβατικός μεταλλικός αγωγός.

Τα πειράματα και η ηλεκτρόλυση του Faraday

Η ροή του ηλεκτρικού ρεύματος στα υγρά είναι προϊόν της κίνησης των φορτισμένων ιόντων. Τα προβλήματα που σχετίζονται με την εμφάνιση και τη διάδοση του ηλεκτρικού ρεύματος στα υγρά οδήγησαν στη μελέτη του διάσημου επιστήμονα Michael Faraday. Με τη βοήθεια πολυάριθμων πρακτικών μελετών, μπόρεσε να βρει στοιχεία ότι η μάζα μιας ουσίας που απελευθερώνεται κατά την ηλεκτρόλυση εξαρτάται από την ποσότητα του χρόνου και του ηλεκτρισμού. Σε αυτή την περίπτωση, ο χρόνος κατά τον οποίο πραγματοποιήθηκαν τα πειράματα είναι σημαντικός.

Ο επιστήμονας μπόρεσε επίσης να ανακαλύψει ότι στη διαδικασία της ηλεκτρόλυσης, όταν απελευθερώνεται μια ορισμένη ποσότητα μιας ουσίας, απαιτείται η ίδια ποσότητα ηλεκτρικών φορτίων. Αυτή η ποσότητα καθορίστηκε με ακρίβεια και καθορίστηκε σε μια σταθερή τιμή, η οποία ονομαζόταν αριθμός Faraday.

Στα υγρά, το ηλεκτρικό ρεύμα έχει διαφορετικές συνθήκες διάδοσης. Αλληλεπιδρά με τα μόρια του νερού. Εμποδίζουν σημαντικά κάθε κίνηση των ιόντων, κάτι που δεν παρατηρήθηκε σε πειράματα με χρήση συμβατικού μεταλλικού αγωγού. Από αυτό προκύπτει ότι η παραγωγή ρεύματος κατά τις ηλεκτρολυτικές αντιδράσεις δεν θα είναι τόσο μεγάλη. Ωστόσο, όσο αυξάνεται η θερμοκρασία του διαλύματος, η αγωγιμότητα αυξάνεται σταδιακά. Αυτό σημαίνει ότι η τάση του ηλεκτρικού ρεύματος αυξάνεται. Επίσης στη διαδικασία της ηλεκτρόλυσης, έχει παρατηρηθεί ότι η πιθανότητα ενός συγκεκριμένου μορίου να αποσυντεθεί σε αρνητικά ή θετικά φορτία ιόντων αυξάνεται λόγω του μεγάλου αριθμού μορίων της ουσίας ή του διαλύτη που χρησιμοποιείται. Όταν το διάλυμα είναι κορεσμένο με ιόντα που υπερβαίνουν έναν ορισμένο κανόνα, εμφανίζεται η αντίστροφη διαδικασία. Η αγωγιμότητα του διαλύματος αρχίζει να μειώνεται ξανά.

Επί του παρόντος, η διαδικασία της ηλεκτρόλυσης έχει βρει την εφαρμογή της σε πολλούς τομείς και τομείς της επιστήμης και στην παραγωγή. Οι βιομηχανικές επιχειρήσεις το χρησιμοποιούν στην παραγωγή ή επεξεργασία μετάλλου. Οι ηλεκτροχημικές αντιδράσεις εμπλέκονται σε:

• ηλεκτρόλυση αλατιού;
• Ηλεκτρική επιμετάλλωση?
• γυάλισμα επιφάνειας?
• άλλες διεργασίες οξειδοαναγωγής.

Ηλεκτρικό ρεύμα σε κενό και υγρά

Η διάδοση του ηλεκτρικού ρεύματος σε υγρά και άλλα μέσα είναι μια αρκετά περίπλοκη διαδικασία που έχει τα δικά της χαρακτηριστικά, χαρακτηριστικά και ιδιότητες. Το γεγονός είναι ότι σε τέτοια μέσα δεν υπάρχουν καθόλου φορτία στα σώματα, επομένως συνήθως ονομάζονται διηλεκτρικά. Ο κύριος στόχος της έρευνας ήταν να δημιουργηθούν τέτοιες συνθήκες κάτω από τις οποίες τα άτομα και τα μόρια θα μπορούσαν να ξεκινήσουν την κίνησή τους και να ξεκινήσει η διαδικασία παραγωγής ηλεκτρικού ρεύματος. Για αυτό, συνηθίζεται να χρησιμοποιείτε ειδικούς μηχανισμούς ή συσκευές. Το κύριο στοιχείο τέτοιων αρθρωτών συσκευών είναι αγωγοί με τη μορφή μεταλλικών πλακών.

Για τον προσδιορισμό των κύριων παραμέτρων του ρεύματος, είναι απαραίτητο να χρησιμοποιηθούν γνωστές θεωρίες και τύποι. Ο πιο συνηθισμένος είναι ο νόμος του Ohm. Λειτουργεί ως γενικό χαρακτηριστικό αμπέρ, όπου εφαρμόζεται η αρχή της εξάρτησης ρεύματος-τάσης. Θυμηθείτε ότι η τάση μετριέται σε μονάδες αμπέρ.

Για πειράματα με νερό και αλάτι, είναι απαραίτητο να προετοιμάσετε ένα δοχείο με αλατόνερο. Αυτό θα δώσει μια πρακτική και οπτική αναπαράσταση των διεργασιών που συμβαίνουν όταν παράγεται ηλεκτρικό ρεύμα σε υγρά. Επίσης, η εγκατάσταση θα πρέπει να περιέχει ορθογώνια ηλεκτρόδια και τροφοδοτικά. Για προετοιμασία πλήρους κλίμακας για πειράματα, πρέπει να έχετε εγκατάσταση αμπέρ. Θα βοηθήσει στη μεταφορά ενέργειας από την παροχή ρεύματος στα ηλεκτρόδια.

Οι μεταλλικές πλάκες θα λειτουργήσουν ως αγωγοί. Βυθίζονται στο υγρό που χρησιμοποιείται και στη συνέχεια συνδέεται η τάση. Η κίνηση των σωματιδίων ξεκινά αμέσως. Τρέχει τυχαία. Όταν δημιουργείται ένα μαγνητικό πεδίο μεταξύ των αγωγών, διατάσσεται ολόκληρη η διαδικασία της κίνησης των σωματιδίων.

Τα ιόντα αρχίζουν να αλλάζουν φορτία και να συνδυάζονται. Έτσι οι κάθοδοι γίνονται άνοδοι και οι άνοδοι κάθοδοι. Σε αυτή τη διαδικασία, υπάρχουν επίσης αρκετοί άλλοι σημαντικοί παράγοντες που πρέπει να ληφθούν υπόψη:

• επίπεδο διάστασης?
• θερμοκρασία;
• ηλεκτρική αντίσταση;
• χρήση εναλλασσόμενου ή συνεχούς ρεύματος.

Στο τέλος του πειράματος, σχηματίζεται ένα στρώμα αλατιού στις πλάκες.

Σχεδόν κάθε άτομο γνωρίζει τον ορισμό του ηλεκτρικού ρεύματος ως Ωστόσο, το όλο θέμα είναι ότι η προέλευση και η κίνησή του σε διάφορα μέσα διαφέρουν αρκετά μεταξύ τους. Συγκεκριμένα, το ηλεκτρικό ρεύμα στα υγρά έχει κάπως διαφορετικές ιδιότητες από τους ίδιους μεταλλικούς αγωγούς.

Η κύρια διαφορά είναι ότι το ρεύμα στα υγρά είναι η κίνηση φορτισμένων ιόντων, δηλαδή ατόμων ή ακόμα και μορίων που έχουν χάσει ή αποκτήσει ηλεκτρόνια για κάποιο λόγο. Ταυτόχρονα, ένας από τους δείκτες αυτής της κίνησης είναι μια αλλαγή στις ιδιότητες της ουσίας από την οποία περνούν αυτά τα ιόντα. Με βάση τον ορισμό του ηλεκτρικού ρεύματος, μπορούμε να υποθέσουμε ότι κατά την αποσύνθεση, τα αρνητικά φορτισμένα ιόντα θα κινηθούν προς θετικά και θετικά, αντίθετα προς αρνητικά.

Η διαδικασία αποσύνθεσης των μορίων του διαλύματος σε θετικά και αρνητικά φορτισμένα ιόντα ονομάζεται ηλεκτρολυτική διάσταση στην επιστήμη. Έτσι, ένα ηλεκτρικό ρεύμα στα υγρά προκύπτει λόγω του γεγονότος ότι, σε αντίθεση με τον ίδιο μεταλλικό αγωγό, η σύνθεση και οι χημικές ιδιότητες αυτών των υγρών αλλάζουν, με αποτέλεσμα τη διαδικασία κίνησης των φορτισμένων ιόντων.

Το ηλεκτρικό ρεύμα στα υγρά, η προέλευσή του, τα ποσοτικά και ποιοτικά χαρακτηριστικά του ήταν ένα από τα κύρια προβλήματα που μελετούσε ο διάσημος φυσικός M. Faraday για μεγάλο χρονικό διάστημα. Συγκεκριμένα, με τη βοήθεια πολλών πειραμάτων, μπόρεσε να αποδείξει ότι η μάζα της ουσίας που απελευθερώνεται κατά την ηλεκτρόλυση εξαρτάται άμεσα από την ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας και το χρόνο κατά τον οποίο διεξήχθη αυτή η ηλεκτρόλυση. Από οποιουσδήποτε άλλους λόγους, με εξαίρεση τον τύπο της ουσίας, αυτή η μάζα δεν εξαρτάται.

Επιπλέον, μελετώντας το ρεύμα στα υγρά, ο Faraday ανακάλυψε πειραματικά ότι η ίδια ποσότητα χρειάζεται για να απομονωθεί ένα κιλό οποιασδήποτε ουσίας κατά την ηλεκτρόλυση.Αυτό το ποσό, ίσο με 9,65,10 7 k, ονομάστηκε αριθμός Faraday.

Σε αντίθεση με τους μεταλλικούς αγωγούς, το ηλεκτρικό ρεύμα στα υγρά περιβάλλεται, γεγονός που περιπλέκει πολύ την κίνηση των ιόντων της ουσίας. Από αυτή την άποψη, σε οποιονδήποτε ηλεκτρολύτη, μπορεί να δημιουργηθεί μόνο μια μικρή τάση. Ταυτόχρονα, εάν η θερμοκρασία του διαλύματος αυξάνεται, τότε η αγωγιμότητά του αυξάνεται και το πεδίο αυξάνεται.

Η ηλεκτρόλυση έχει μια άλλη ενδιαφέρουσα ιδιότητα. Το θέμα είναι ότι η πιθανότητα διάσπασης ενός συγκεκριμένου μορίου σε θετικά και αρνητικά φορτισμένα ιόντα είναι όσο μεγαλύτερη, τόσο μεγαλύτερος είναι ο αριθμός των μορίων της ίδιας της ουσίας και του διαλύτη. Ταυτόχρονα, σε μια ορισμένη στιγμή, το διάλυμα γίνεται υπερκορεσμένο με ιόντα, μετά την οποία η αγωγιμότητα του διαλύματος αρχίζει να μειώνεται. Έτσι, το ισχυρότερο θα λάβει χώρα σε ένα διάλυμα όπου η συγκέντρωση των ιόντων είναι εξαιρετικά χαμηλή, αλλά το ηλεκτρικό ρεύμα σε τέτοια διαλύματα θα είναι εξαιρετικά χαμηλό.

Η διαδικασία της ηλεκτρόλυσης έχει βρει ευρεία εφαρμογή σε διάφορες βιομηχανικές παραγωγές που σχετίζονται με ηλεκτροχημικές αντιδράσεις. Μεταξύ των σημαντικότερων από αυτά είναι η παραγωγή μετάλλου με χρήση ηλεκτρολυτών, η ηλεκτρόλυση αλάτων που περιέχουν χλώριο και τα παράγωγά του, οι αντιδράσεις οξειδοαναγωγής, η παραγωγή μιας τέτοιας απαραίτητης ουσίας όπως το υδρογόνο, η στίλβωση επιφάνειας, η ηλεκτρολυτική επιμετάλλωση. Για παράδειγμα, σε πολλές επιχειρήσεις μηχανολογίας και οργανοποιίας, είναι πολύ διαδεδομένη η μέθοδος εξευγενισμού, που είναι η παραγωγή μετάλλου χωρίς περιττές ακαθαρσίες.

Το ηλεκτρικό ρεύμα στα υγρά προκαλείται από την κίνηση θετικών και αρνητικών ιόντων. Σε αντίθεση με το ρεύμα στους αγωγούς όπου κινούνται τα ηλεκτρόνια. Έτσι, εάν δεν υπάρχουν ιόντα σε ένα υγρό, τότε είναι ένα διηλεκτρικό, για παράδειγμα, απεσταγμένο νερό. Δεδομένου ότι οι φορείς φορτίου είναι ιόντα, δηλαδή μόρια και άτομα μιας ουσίας, όταν ένα ηλεκτρικό ρεύμα διέρχεται από ένα τέτοιο υγρό, θα οδηγήσει αναπόφευκτα σε αλλαγή των χημικών ιδιοτήτων της ουσίας.

Από πού προέρχονται τα θετικά και τα αρνητικά ιόντα σε ένα υγρό; Ας πούμε αμέσως ότι οι φορείς φορτίου δεν είναι ικανοί να σχηματιστούν σε όλα τα υγρά. Αυτοί στους οποίους εμφανίζονται ονομάζονται ηλεκτρολύτες. Αυτά περιλαμβάνουν διαλύματα αλάτων οξέων και αλκαλίων. Όταν διαλύετε αλάτι στο νερό, για παράδειγμα, πάρτε επιτραπέζιο αλάτι NaCl, αποσυντίθεται υπό τη δράση ενός διαλύτη, δηλαδή του νερού σε θετικό ιόν Ναονομάζεται κατιόν και αρνητικό ιόν Clπου ονομάζεται ανιόν. Η διαδικασία σχηματισμού ιόντων ονομάζεται ηλεκτρολυτική διάσταση.

Ας κάνουμε ένα πείραμα, για αυτό χρειαζόμαστε έναν γυάλινο λαμπτήρα, δύο μεταλλικά ηλεκτρόδια, ένα αμπερόμετρο και μια πηγή συνεχούς ρεύματος. Γεμίζουμε τη φιάλη με διάλυμα κοινού αλατιού σε νερό. Στη συνέχεια βάζουμε δύο ορθογώνια ηλεκτρόδια σε αυτό το διάλυμα. Συνδέουμε τα ηλεκτρόδια σε πηγή συνεχούς ρεύματος μέσω ενός αμπερόμετρου.

Εικόνα 1 - Φιάλη με διάλυμα άλατος

Όταν ενεργοποιηθεί το ρεύμα μεταξύ των πλακών, θα εμφανιστεί ένα ηλεκτρικό πεδίο υπό τη δράση του οποίου τα ιόντα άλατος θα αρχίσουν να κινούνται. Τα θετικά ιόντα θα σπεύσουν προς την κάθοδο και τα αρνητικά ιόντα στην άνοδο. Ταυτόχρονα θα κάνουν μια χαοτική κίνηση. Ταυτόχρονα όμως υπό τη δράση του γηπέδου θα προστεθεί και ένα διατεταγμένο.

Σε αντίθεση με τους αγωγούς στους οποίους κινούνται μόνο ηλεκτρόνια, δηλαδή ένας τύπος φορτίου, δύο τύποι φορτίων κινούνται στους ηλεκτρολύτες. Αυτά είναι θετικά και αρνητικά ιόντα. Κινούνται ο ένας προς τον άλλον.

Όταν το θετικό ιόν νατρίου φτάσει στην κάθοδο, θα κερδίσει το ηλεκτρόνιο που λείπει και θα γίνει άτομο νατρίου. Μια παρόμοια διαδικασία θα συμβεί με το ιόν χλωρίου. Μόνο όταν φτάσει στην άνοδο, το ιόν χλωρίου θα εγκαταλείψει ένα ηλεκτρόνιο και θα μετατραπεί σε άτομο χλωρίου. Έτσι, το ρεύμα διατηρείται στο εξωτερικό κύκλωμα λόγω της κίνησης των ηλεκτρονίων. Και στον ηλεκτρολύτη, τα ιόντα φαίνεται να μεταφέρουν ηλεκτρόνια από τον έναν πόλο στον άλλο.

Η ηλεκτρική αντίσταση των ηλεκτρολυτών εξαρτάται από την ποσότητα των ιόντων που σχηματίζονται. Σε ισχυρούς ηλεκτρολύτες, το επίπεδο διάστασης είναι πολύ υψηλό όταν διαλύεται. Οι αδύναμοι είναι χαμηλοί. Επίσης, η ηλεκτρική αντίσταση του ηλεκτρολύτη επηρεάζεται από τη θερμοκρασία. Με την αύξησή του, το ιξώδες του υγρού μειώνεται και τα βαριά και αδέξια ιόντα αρχίζουν να κινούνται πιο γρήγορα. Αντίστοιχα, η αντίσταση μειώνεται.

Εάν το διάλυμα άλατος αντικατασταθεί με διάλυμα θειικού χαλκού. Στη συνέχεια, όταν περάσει ρεύμα από αυτό, όταν το κατιόν του χαλκού φτάσει στην κάθοδο και λάβει εκεί τα ηλεκτρόνια που λείπουν, θα αποκατασταθεί σε ένα άτομο χαλκού. Και αν μετά από αυτό αφαιρέσετε το ηλεκτρόδιο, μπορείτε να βρείτε εναποθέσεις χαλκού σε αυτό. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται ηλεκτρόλυση.

« Φυσική - 10η τάξη "

Ποιοι είναι οι φορείς του ηλεκτρικού ρεύματος στο κενό;
Ποια είναι η φύση της κίνησής τους;

Τα υγρά, όπως και τα στερεά, μπορεί να είναι διηλεκτρικά, αγωγοί και ημιαγωγοί. Τα διηλεκτρικά περιλαμβάνουν απεσταγμένο νερό, αγωγούς - διαλύματα και τήγματα ηλεκτρολυτών: οξέα, αλκάλια και άλατα. Υγροί ημιαγωγοί είναι το λιωμένο σελήνιο, τα τήγματα θειούχων κ.λπ.

ηλεκτρολυτική διάσταση.

Όταν οι ηλεκτρολύτες διαλύονται υπό την επίδραση του ηλεκτρικού πεδίου των μορίων του πολικού νερού, τα μόρια του ηλεκτρολύτη αποσυντίθενται σε ιόντα.

Η αποσύνθεση των μορίων σε ιόντα υπό την επίδραση του ηλεκτρικού πεδίου των μορίων του πολικού νερού ονομάζεται ηλεκτρολυτική διάσταση.

Βαθμός διάσπασης- την αναλογία των μορίων στη διαλυμένη ουσία που έχουν διασπαστεί σε ιόντα.

Ο βαθμός διάστασης εξαρτάται από τη θερμοκρασία, τη συγκέντρωση του διαλύματος και τις ηλεκτρικές ιδιότητες του διαλύτη.

Με την αύξηση της θερμοκρασίας, ο βαθμός διάστασης αυξάνεται και, κατά συνέπεια, αυξάνεται η συγκέντρωση θετικά και αρνητικά φορτισμένων ιόντων.

Τα ιόντα διαφορετικών ζωδίων, όταν συναντώνται, μπορούν και πάλι να ενωθούν σε ουδέτερα μόρια.

Υπό σταθερές συνθήκες, δημιουργείται μια δυναμική ισορροπία στο διάλυμα, στην οποία ο αριθμός των μορίων που διασπώνται σε ιόντα ανά δευτερόλεπτο είναι ίσος με τον αριθμό των ζευγών ιόντων που ανασυνδυάζονται σε ουδέτερα μόρια ταυτόχρονα.

Ιονική αγωγιμότητα.

Οι φορείς φορτίου σε υδατικά διαλύματα ή τήγματα ηλεκτρολυτών είναι θετικά και αρνητικά φορτισμένα ιόντα.

Εάν ένα δοχείο με διάλυμα ηλεκτρολύτη περιλαμβάνεται σε ένα ηλεκτρικό κύκλωμα, τότε τα αρνητικά ιόντα θα αρχίσουν να κινούνται προς το θετικό ηλεκτρόδιο - την άνοδο, και τα θετικά - προς την αρνητική - κάθοδο. Ως αποτέλεσμα, ένα ηλεκτρικό ρεύμα θα ρέει μέσω του κυκλώματος.

Η αγωγιμότητα των υδατικών διαλυμάτων ή των τήξεων ηλεκτρολυτών, η οποία πραγματοποιείται από ιόντα, ονομάζεται ιοντική αγωγιμότητα.

Ηλεκτρόλυση.Με την ιοντική αγωγιμότητα, η διέλευση του ρεύματος συνδέεται με τη μεταφορά της ύλης. Στα ηλεκτρόδια απελευθερώνονται ουσίες που αποτελούν τους ηλεκτρολύτες. Στην άνοδο, τα αρνητικά φορτισμένα ιόντα δίνουν τα επιπλέον ηλεκτρόνια τους (στη χημεία, αυτό ονομάζεται οξειδωτική αντίδραση), και στην κάθοδο, τα θετικά ιόντα αποκτούν τα ηλεκτρόνια που λείπουν (αντίδραση αναγωγής).

Τα υγρά μπορούν επίσης να έχουν ηλεκτρονική αγωγιμότητα. Τέτοια αγωγιμότητα κατέχουν, για παράδειγμα, υγρά μέταλλα.

Η διαδικασία απελευθέρωσης μιας ουσίας στο ηλεκτρόδιο, που σχετίζεται με αντιδράσεις οξειδοαναγωγής, ονομάζεται ηλεκτρόλυση.

Τι καθορίζει τη μάζα μιας ουσίας που απελευθερώνεται σε δεδομένο χρόνο; Προφανώς, η μάζα m της απελευθερωμένης ουσίας είναι ίση με το γινόμενο της μάζας m 0i ενός ιόντος με τον αριθμό N i των ιόντων που έχουν φτάσει στο ηλεκτρόδιο κατά τη διάρκεια του χρόνου Δt:

m = m 0i N i. (16.3)

Η μάζα ιόντων m 0i είναι:

όπου M είναι η μοριακή (ή ατομική) μάζα της ουσίας και N A είναι η σταθερά Avogadro, δηλαδή ο αριθμός των ιόντων σε ένα mole.

Ο αριθμός των ιόντων που φτάνουν στο ηλεκτρόδιο είναι

όπου Δq = IΔt είναι το φορτίο που διέρχεται από τον ηλεκτρολύτη κατά τη διάρκεια του χρόνου Δt. q 0i είναι το φορτίο του ιόντος, το οποίο καθορίζεται από το σθένος n του ατόμου: q 0i \u003d ne (e είναι το στοιχειώδες φορτίο). Κατά τη διάσταση μορίων, για παράδειγμα KBr, που αποτελούνται από μονοσθενή άτομα (n = 1), εμφανίζονται ιόντα K + και Br -. Η διάσταση των μορίων θειικού χαλκού οδηγεί στην εμφάνιση διπλά φορτισμένων ιόντων Cu 2+ και SO 2- 4 (n = 2). Αντικαθιστώντας τις εκφράσεις (16.4) και (16.5) στον τύπο (16.3) και λαμβάνοντας υπόψη ότι Δq = IΔt, a q 0i = ne, λαμβάνουμε

Ο νόμος του Faraday.

Ας συμβολίσουμε με k τον συντελεστή αναλογικότητας μεταξύ της μάζας m της ουσίας και του φορτίου Δq = IΔt που διέρχεται από τον ηλεκτρολύτη:

όπου F \u003d eN A \u003d 9,65 10 4 C / mol - Σταθερά Faraday.

Ο συντελεστής k εξαρτάται από τη φύση της ουσίας (τις τιμές των M και n). Σύμφωνα με τον τύπο (16.6) έχουμε

m = kIΔt. (16.8)

Ο νόμος του Faraday για την ηλεκτρόλυση:

Η μάζα της ουσίας που απελευθερώνεται στο ηλεκτρόδιο κατά το χρόνο Δt. κατά τη διάρκεια της διέλευσης του ηλεκτρικού ρεύματος, είναι ανάλογη με την ισχύ του ρεύματος και του χρόνου.

Αυτή η δήλωση, που ελήφθη θεωρητικά, καθιερώθηκε για πρώτη φορά πειραματικά από τον Faraday.

Η τιμή k στον τύπο (16.8) ονομάζεται ηλεκτροχημικό ισοδύναμοδεδομένης ουσίας και εκφράζεται σε κιλά ανά μενταγιόν(kg/C).

Από τον τύπο (16.8) φαίνεται ότι ο συντελεστής k είναι αριθμητικά ίσος με τη μάζα της ουσίας που απελευθερώνεται στα ηλεκτρόδια κατά τη μεταφορά φορτίου 1 C από ιόντα.

Το ηλεκτροχημικό ισοδύναμο έχει απλή φυσική σημασία. Δεδομένου ότι M / N A \u003d m 0i και en \u003d q 0i, τότε σύμφωνα με τον τύπο (16.7) k \u003d rn 0i / q 0i, δηλ. k είναι ο λόγος της μάζας ιόντων προς το φορτίο του.

Μετρώντας τις τιμές των m και Δq, μπορεί κανείς να προσδιορίσει τα ηλεκτροχημικά ισοδύναμα διαφόρων ουσιών.

Μπορείτε να επαληθεύσετε την εγκυρότητα του νόμου του Faraday από την εμπειρία. Ας συναρμολογήσουμε την εγκατάσταση που φαίνεται στην Εικόνα (16.25). Και τα τρία ηλεκτρολυτικά λουτρά γεμίζουν με το ίδιο διάλυμα ηλεκτρολύτη, αλλά τα ρεύματα που διέρχονται από αυτά είναι διαφορετικά. Ας υποδηλώσουμε την ισχύ των ρευμάτων μέσω I1, I2, I3. Τότε I 1 = I 2 + I 3 . Μετρώντας τις μάζες m 1 , m 2 , m 3 των ουσιών που απελευθερώνονται στα ηλεκτρόδια σε διαφορετικά λουτρά, μπορεί κανείς να βεβαιωθεί ότι είναι ανάλογες με τα αντίστοιχα ρεύματα I 1 , I 2 , I 3 .

Προσδιορισμός του φορτίου ηλεκτρονίων.

Ο τύπος (16.6) για τη μάζα της ουσίας που απελευθερώνεται στο ηλεκτρόδιο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον προσδιορισμό του φορτίου ηλεκτρονίων. Από αυτόν τον τύπο προκύπτει ότι ο συντελεστής φόρτισης ηλεκτρονίων είναι ίσος με:

Γνωρίζοντας τη μάζα m της απελευθερωμένης ουσίας κατά τη διέλευση του φορτίου IΔt, τη μοριακή μάζα M, το σθένος n ατόμων και τη σταθερά Avogadro N A, μπορεί κανείς να βρει την τιμή του συντελεστή φόρτισης ηλεκτρονίων. Αποδεικνύεται ότι είναι ίσο με e = 1,6 10 -19 C.

Με αυτόν τον τρόπο λήφθηκε για πρώτη φορά η τιμή του στοιχειώδους ηλεκτρικού φορτίου το 1874.

Εφαρμογή ηλεκτρόλυσης.Η ηλεκτρόλυση χρησιμοποιείται ευρέως στη μηχανική για διάφορους σκοπούς. Καλύψτε ηλεκτρολυτικά την επιφάνεια ενός μετάλλου με ένα λεπτό στρώμα άλλου ( επινικελωμένη, επιχρωμίωση, επιχρυσωμένηκαι ούτω καθεξής.). Αυτή η ανθεκτική επίστρωση προστατεύει την επιφάνεια από τη διάβρωση. Εάν εξασφαλίζεται καλό ξεφλούδισμα της ηλεκτρολυτικής επίστρωσης από την επιφάνεια στην οποία εναποτίθεται το μέταλλο (αυτό επιτυγχάνεται, για παράδειγμα, με την εφαρμογή γραφίτη στην επιφάνεια), τότε μπορεί να ληφθεί ένα αντίγραφο από την ανάγλυφη επιφάνεια.

Η διαδικασία λήψης αποφλοιώσιμων επιστρώσεων - ηλεκτροτυπία- αναπτύχθηκε από τον Ρώσο επιστήμονα B. S. Jacobi (1801-1874), ο οποίος το 1836 εφάρμοσε αυτή τη μέθοδο για να φτιάξει κοίλες φιγούρες για τον καθεδρικό ναό του Αγίου Ισαάκ στην Αγία Πετρούπολη.

Προηγουμένως, στη βιομηχανία εκτύπωσης, αντίγραφα από μια ανάγλυφη επιφάνεια (στερεότυπα) λαμβάνονταν από μήτρες (αποτύπωμα ενός σετ σε πλαστικό υλικό), για τις οποίες ένα παχύ στρώμα σιδήρου ή άλλης ουσίας εναποτέθηκε στις μήτρες. Αυτό κατέστησε δυνατή την αναπαραγωγή του σετ στον απαιτούμενο αριθμό αντιγράφων.

Η ηλεκτρόλυση απομακρύνει τις ακαθαρσίες από τα μέταλλα. Έτσι, ο ακατέργαστος χαλκός που λαμβάνεται από το μετάλλευμα χυτεύεται με τη μορφή χοντρών φύλλων, τα οποία στη συνέχεια τοποθετούνται σε λουτρό ως άνοδοι. Κατά την ηλεκτρόλυση, ο χαλκός της ανόδου διαλύεται, ακαθαρσίες που περιέχουν πολύτιμα και σπάνια μέταλλα πέφτουν στον πυθμένα και καθαρός χαλκός κατακάθεται στην κάθοδο.

Το αλουμίνιο λαμβάνεται από τηγμένο βωξίτη με ηλεκτρόλυση. Αυτή η μέθοδος απόκτησης αλουμινίου ήταν που το έκανε φθηνό και, μαζί με το σίδηρο, το πιο συνηθισμένο στην τεχνολογία και την καθημερινή ζωή.

Με τη βοήθεια της ηλεκτρόλυσης, λαμβάνονται ηλεκτρονικές πλακέτες κυκλωμάτων, οι οποίες χρησιμεύουν ως βάση όλων των ηλεκτρονικών προϊόντων. Μια λεπτή πλάκα χαλκού είναι κολλημένη πάνω στο διηλεκτρικό, πάνω στο οποίο εφαρμόζεται ένα περίπλοκο σχέδιο συρμάτων σύνδεσης με ειδική βαφή. Στη συνέχεια η πλάκα τοποθετείται σε έναν ηλεκτρολύτη, όπου χαράσσονται οι περιοχές του στρώματος χαλκού που δεν καλύπτονται με χρώμα. Μετά από αυτό, το χρώμα ξεπλένεται και οι λεπτομέρειες του μικροκυκλώματος εμφανίζονται στην πλακέτα.