|
ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА 1. Электрический ток в металлах Электронная теория объясняет различия в свойствах проводников и диэлектриков: в одних телах есть свободные носители зарядов, которые могут перемещаться в разных направлениях, а в других телах носители электрических зарядов связаны и могут лишь немного смещаться в ту или другую сторону. Природа носителей зарядов в металлах доказана классическими опытами Рікке, Мандельштама-Папалекси и Тольман-Стюарта. Опыт Рікке позволяет сделать вывод, что ток в металлах обеспечивают не ионы, а электроны. Прямые доказательства электронной природы тока в металле дали опыты Мандельштама-Папалекси (1913) и Тольман-Стюарта (1916). В этих опытах было установлено отношение заряда электрона к его массе:
что соответствует установленному ранее из других опытов. Из опытов легко установить, что сопротивление металлов зависит от температуры. Если при температуре 0 °С, сопротивление проводника равно R0, а при температуре Т он равен R, то относительное изменение сопротивления, как показывает опыт, прямо пропорционально изменению температуры. При нагревании проводника его геометрические размеры изменяются в незначительной степени. Сопротивление проводника изменяется в основном за счет изменения его удельного сопротивления: ρ = ρ0(1 + αt). Здесь α - температурный коэффициент сопротивления. Для чистых металлов α ≈ 1/273 К-1. в 1911 году голландский физик Камерлинг-Оннес обнаружил, что при охлаждении ртути в жидком гелии ее сопротивление сначала меняется постепенно, а затем при температуре 4,15 К резко снижается до нуля. Ø Явление, которое заключается в том, что сопротивление проводника при определенной температуре становится равным нулю, называют надпровідністю. Практическое применение сверхпроводимости приобретает распространение. Наряду со сверхпроводящими магнитами, сверхпроводящими магнітометрами существует ряд других технических устройств и измерительных приборов, основанных на использовании различных свойств сверхпроводников. 2. Электрический ток в электролитах Как известно, проводниками электрического тока могут быть не только твердые тела, но и жидкости. Опыты показывают, что электролиты (растворы солей, кислот и щелочей в воде) являются хорошими проводниками электрического тока. Ø Процесс распада молекул растворенного вещества на ионы под действием растворителя называется електролітичною диссоциацией. Молекулы веществ-растворителей состоят из взаимосвязанных ионов противоположного знака (например Na+Cl-, Н+Cl-, К+,Cl-, Cu++SO4-). Силы притяжения между этими ионами обеспечивают целостность таких молекул. Ионы в электролитах движутся хаотично, пока в жидкость не опускаются электроды. Тогда на хаотическое движение ионов накладывается их упорядоченное движение к соответствующим электродам и в жидкости возникает электрический ток. При ионной проводимости прохождение тока связано с переносом вещества. На электродах происходит выделение веществ, входящих в состав электролитов. Ø Процесс выделения вещества на электродах при прохождении электрического тока через электролит называют электролизом. На аноде отрицательно заряженные ионы отдают свои лишние электроны (в химии этот процесс называется окислительной реакцией), а на катоде положительные ионы получают недостающие электроны (восстановительная реакция). Каждый ион, что в процессе электролиза нейтрализуется на электроде и выделяется в нем в виде нейтрального атома, имеет определенную массу. Но вместе с тем он переносит через электролит определенный заряд. Поэтому и масса вещества, выделившаяся, и количество электричества, что прошла, пропорциональные числу ионов, которые подходят к этому электроду. Количественно закон электролиза был установлен на опыте Майклом Фарадеем в первой половине XIX столетия. Фарадей установил, что Ø масса вещества т,, которая выделилась на электроде, пропорциональна заряду q, прошедшему через электролит: m = kq. Поскольку q = It, где I - сила тока, t - время прохождения тока, то m = kIt. Постоянную k называют электрохимическим эквивалентом вещества. Смысл этого коэффициента можно определить из выражения: k = m/q. Ø Электрохимический эквивалент численно равен массе вещества в килограммах, которая выделяется при прохождении 1 Кл электричества. Техническое применение электролиза · Гальванотехника: а) гальваностегией - покрытие деталей тонким слоем металла (золочение, никелирование, хромирование и др.); б) гальванопластика - отложение толстого слоя металла, который отслаивают и используют самостоятельно (получения матриц для печатных пластинок, барельеф и др.). · Электрометаллургия - выделения чистых металлов из природных смесей (меди из медного колчедана, алюминия из расплавленного боксита). · Очистка металлических деталей (деталь является анодом). Газы, в отличие от металлов и электролитов, состоят из электрически нейтральных атомов и молекул и при нормальных условиях не содержат свободных носителей тока (электронов и ионов). Газы при нормальных условиях являются диэлектриками. Однако при некоторых условиях можно заметно повысить электропроводность газа. Достаточно, например, подействовать пламенем спички на воздух возле заряженного электроскопа, как он сразу же разряжается. Из этого опыта делают вывод, что под действием пламени воздух теряет свои изоляционные свойства, т.е. в нем появляются свободные заряды. Воздух, как и другие газы, можно сделать электропроводным и через влияние на него ультрафиолетового, рентгеновского и радиоактивного излучений. Для отрыва электрона от атома необходима определенная энергия, которую называют энергией ионизации. Ионизация газов - отрыв от их атомов или молекул электронов. Противоположным процессу ионизации газов является процесс рекомбинации - воссоединение противоположно заряженных частиц в нейтральные молекулы. Ионизатор ежесекундно создает в пространстве между электродами некоторое число ионов и электронов. Столько же ионов и электронов, соединяясь между собой, образуют нейтральные атомы. Такое динамическое равновесие существует до тех пор, пока между электродами нет электрического поля. Как только между электродами будет создано поле, сразу же на частицы, несущие заряды разного знака, начнут действовать силы, направленные в противоположные стороны. Поэтому, кроме беспорядочного движения, заряженные частицы будут перемещаться в направлении действия на них электрического поля. Это стремящейся движение частиц под действием электрического поля и представляет собой ток в газе. Процесс протекания электрического тока через газ называют газовым разрядом. Существует два вида газового разряда - несамостоятельный и самостоятельный. Если электропроводность газа возникает под действием ионизаторов, а с удалением последнего исчезает, то имеем несамостоятельный разряд. Ø Газовый разряд, который можно наблюдать только при наличии внешнего ионизатора, называется несамостоятельным газовым разрядом. При определенных условиях ток в газах может проходить и без внешнего ионизатора. Ø Газовый разряд, который продолжается после того, как прекратится действие внешнего ионизатора, называется самостоятельным газовым разрядом. В зависимости от давления газа, конфигурации электродов и параметров внешней цепи существует четыре типа самостоятельных разрядов: тлеющий, искровой, коронный и дуговой. Электрический разряд, что происходит за низкого давления (частицы миллиметра ртутного столба, то есть в тысячи раз меньше атмосферного давления), называют тлеющим разрядом. Тлеющий заряд используют в люминесцентных газонаполненных лампах и рекламных трубках. Искровой разряд возникает в газе обычно при давлениях порядка атмосферного. Он характеризуется прерывистой формой. По внешнему виду искровой разряд представляет собой пучок ярких зигзагообразных тонких розгалужуваних полос, которые мгновенно пронизывающих разрядный промежуток, быстро угасают и постоянно сменяют друг друга. Эти полоски называют искровыми каналами. При естественных условиях искровой разряд наблюдается в виде молнии. Искровой разряд в незначительных масштабах возникает, например, в обычных выключателях, когда мы выключаем свет. На применении искрового разряда основаны методы електроіскрової обработки металлов. Мощные, сильнотоковые разряды в водороде были первыми шагами на пути к управляемому термоядерному синтезу. Коронный разряд возникает в сильном неоднородном электрическом поле при сравнительно высоких давлениях газа (подобно атмосферному). Такое поле можно получить между двумя электродами, поверхность одного из которых имеет большую кривину (тонкий дротик, острие). Именно такая ситуация возникает перед грозой или во время грозы. Но по мере удаления от острия поле быстро уменьшается, поэтому вдали от острия электронная лавина не возникает. Коронный разряд применяется в электрофильтрах для очистки воздуха. Ионы, сталкиваясь с частицами дыма, заряжают их, после чего заряженные частицы притягиваются к электродам и оседают на них. Если после получения искрового разряда от мощного источника постепенно уменьшать расстояние между электродами, то разряд из прерывистого становится непрерывным, возникает новая форма газового разряда, называемая дуговым разрядом. Температура за дугового разряда достигает 6000 °С (такая температура на поверхности Солнца). Дуговой разряд был открыт в 1802 г. русским физиком В. В. Петровым. Дуговой разряд используют для электросварки металлов. Значительный вклад в разработку методов электросварки внесли украинские ученые под руководством академика А. Есть. Патона - организатора и первого директора Института электросварки в Киеве. Дуговой разряд также используют в прожекторах, проекционных аппаратах и в маяках. В металлургии широко применяют дуговые электропечи, источником тепла в которых является дуговой разряд. В таких печах выплавляют сталь, чугун, бронзу и другие металлы. ВОПРОС К УЧАЩИМСЯ В ХОДЕ ИЗЛОЖЕНИЯ НОВОГО МАТЕРИАЛА Первый уровень 1. Как движутся электроны проводимости в металлическом проводнике, когда в нем: а) нет электрического поля; б) создано электрическое поле? 2. Какова природа носителей заряда в электролитах? 3. Какое условие необходимо для возникновения направленного движения ионов в электролите? 4. Почему разрежения газа улучшает его проводимость? Или при всех условиях это справедливо? 5. Какие условия должны быть выполнены, чтобы несамостоятельный разряд стал самостоятельным? 6. Почему при меньших плотностей воздуха электрический разряд происходит при более низких напряжений? Второй уровень 1. Почему несмотря на невысокую скорость упорядоченного движения электронов в металлическом проводнике, приборы в сети начинают действовать одновременно? 2. Или любая жидкость, что проводит электрический ток, является раствором или расплавом электролита? 3. Какова природа тока в газах? 4. Почему электроскоп, что находится неподалеку от пламени газовой горелки, разряжается достаточно быстро? 5. Как изменится дуговой разряд, если сильно охладить анод? катод? 6. О каких физических явлениях идет речь в загадке: «Сверкнет, мелькнет, кого позве»? ЗАКРЕПЛЕНИЕ ИЗУЧЕННОГО МАТЕРИАЛА 1). Качественные вопросы 1. Почему во время прохождения тока через раствор электролита происходит перенос вещества, а в случае прохождения через металлический проводник перенос вещества не происходит? 2. В какой способ, опустив два провода от гальванического элемента в стакан с водопроводной водой, можно узнать, существует ли между ними постоянное напряжение? 3. В чем сходство и различия проводимости газов и электролитов? 4. Чем отличается ионизация газа от электролитической диссоциации? 5. Почему у альпинистов существует такое правило: заночувавши высоко в горах, все металлические предметы нужно класть подальше от лагеря? 2). Учимся решать задачи 1. По какой силы тока проводился электролиз водного раствора CuSO4, если за 25 мин. на катоде выделилось 2 г меди? 2. В процессе электролиза из водного раствора серебряной соли выделилось 500 мг серебра. Какой заряд прошел через электролитическую ванну? 3. Ионизирующее излучение ежесекундно создает в 1 см3 газа в трубке n = 5·109 пар однозарядных ионов. Какова сила тока насыщения при несамостоятельного разряда, если объем трубки V = 600 см3? Решение Сила тока 4. Напряжение 40-50 В поддерживает дуговой разряд в газовом промежутке. Искровой разряд в том же промежутке требует напряжения в несколько тысяч вольт. Объясните этот факт. ЧТО МЫ УЗНАЛИ НА УРОКЕ · Явление, которое заключается в том, что сопротивление проводника при определенной температуре становится равным нулю, называют надпровідністю. · Процесс распада молекул растворенного вещества на ионы под действием растворителя называется електролітичною диссоциацией. · Процесс выделения вещества на электродах при прохождении электрического тока через электролит называют электролизом. · Масса вещества m, которая выделилась на электроде, пропорциональна заряду q, прошедшего через электролит: m = kq. · Электрохимический эквивалент численно равен массе вещества в килограммах, выделяющегося при прохождении 1 Кл электричества:
· Ионизация газов - отрывание от их атомов или молекул электронов. · Процесс протекания электрического тока через газ называют газовым разрядом. · Газовый разряд, который можно наблюдать только при наличии внешнего ионизатора, называется несамостоятельным газовым разрядом. · Газовый разряд, который продолжается после того, как прекратится действие внешнего ионизатора, называется самостоятельным газовым разрядом. Домашнее задание 1. Подр.: §§ 8, 9, 10. 2. 3б.: Рів1 № 6.10; 6.12; 6.13; 6.14. Рів2 № 6.19; 6.20; 6.21, 6.22.
|
|
Следует обратить внимание на то, что пара однозарядных ионов переносит с катода на анод один электрон. Подставив числовые данные, получаем: И = 480 нА.