Электрический ток в неметаллах

Федеральное агентство по образованию

Политехнический институт (филиал) в г. Каменске-Уральском

ГОУ ВПО  «Уральский государственный технический  университет – УПИ

имени Первого  Президента России Б. Н. Ельцина» 
 
 

Реферат на тему: «Электрический ток в неметаллах» 
 
 
 

Преподаватель                                                                                   Торопов Н. А. 

Студентка группы № Мт-290506 КУ                                           Кадникова Д. В.    
 
 
 
 
 

Каменск – Уральский  2010

Содержание

    Ι. Электрический ток в электролитах,                                                              3

    ΙΙ. Электрический ток в газах                                                                             6

         2.1. Ионизация газов                                                                                   7

         2.2. Несамостоятельный  газовый разряд                                                   8

         2.3. Самостоятельный газовый разряд                                                      9

         2.4. Различные типы  газовых разрядов                                                   11

              2.4.1. Искровой разряд                                                                      11

              2.4.2. Дуговой разряд                                                                        13

              2.4.3. Тлеющий разряд                                                                      14

              2.4.4. Коронный разряд                                                                     16

    ΙΙΙ. Электрический ток в вакууме                                                                     17

         3.1. Термоэлектронная  эмиссия                                                               18

         3.2. Диод, триод                                                                                         20

         3.3. Фотоэлектронная  эмиссия                                                                 23

         3.4. Вторичная электронная эмиссия                                                       23

    ΙV. Термоэлектрические явления                                                                     24

         4.1.Эфект Зеебека                                                                                      24

         4.2.Эфект Пельтье                                                                                    25

         4.3.Эфект Томсона                                                                                     26

         4.4. Применение термоэлектрических  явлений                                      26

    Список  используемой литературы                                                                   28

 

    Ι. Электрический ток  в электролитах, электролиз

    Электролитами принято называть проводящие среды, в которых протекание электрического тока сопровождается переносом вещества. Носителями свободных зарядов в электролитах являются положительно и отрицательно заряженные ионы. К электролитам относятся многие соединения металлов в расплавленном состоянии, а также некоторые твердые вещества. Однако основными представителями электролитов, широко используемыми в технике, являются водные растворы неорганических кислот, солей и оснований.

    Чем же объясняется способность электролитов проводить электрический ток? Рассмотрим  пример  с  поваренной солью - NaCl.   В  твердом виде атомы поваренной соли - натрий Na  и  хлор Сl - сильно притягиваются друг к другу и не могут свободно перемещаться. Поэтому поваренная соль в твердом виде тока не проводит. При растворении поваренной соли в воде силы взаимодействия между атомами соли ослабевают и молекула соли распадается на две заряженные частицы - ионы: положительно заряженный иной Na⁺ и  отрицательно  заряженный   ион  Сl^-. Раствор  становится электропроводным.

    Рассмотрим  второй пример. Твердые кристаллы  щелочи - едкого натра NaOH - также не проводят тока. При растворении едкого натра в воде образуются положительные ионы Na⁺ и отрицательные ионы ОН^-.

    И, наконец, третий пример. Чистые кислоты  неэлектропроводные. Но при растворении  в воде они становятся электролитами, т. е. начинают проводить ток. Так, например, соляная кислота НCl в водном растворе образует положительные ионы Н⁺ и отрицательные ионы С1^-.

    Прохождение электрического тока через электролит сопровождается выделением веществ  на электродах. Это явление получило название электролиза.

    Электрический ток в электролитах представляет собой перемещение ионов обоих  знаков в противоположных направлениях. Положительные ионы движутся к отрицательному электроду (катоду), отрицательные ионы – к положительному электроду (аноду). Ионы обоих знаков появляются в водных растворах солей, кислот и щелочей в результате расщепления части нейтральных молекул. Это явление называется электролитической диссоциацией. Например, хлорид меди CuCl₂ диссоциирует в водном растворе на ионы меди и хлора:  

     При подключении электродов к источнику  тока ионы под действием электрического поля начинают упорядоченное движение: положительные ионы меди движутся к  катоду, а отрицательно заряженные ионы хлора – к аноду (см. рис. 1).

    Достигнув катода, ионы меди нейтрализуются избыточными  электронами катода и превращаются в нейтральные атомы, оседающие  на катоде. Ионы хлора, достигнув анода, отдают по одному электрону. После этого  нейтральные атомы хлора соединяются  попарно и образуют молекулы хлора  Cl₂. Хлор выделяется на аноде в виде пузырьков.

    Во  многих случаях электролиз сопровождается вторичными реакциями продуктов  разложения, выделяющихся на электродах, с материалом электродов или растворителей. Примером может служить электролиз водного раствора сульфата меди CuSO₄ (медный купорос) в том случае, когда электроды, опущенные в электролит, изготовлены из меди.

    Диссоциация молекул сульфата меди происходит по схеме 

    Нейтральные атомы меди отлагаются в виде твердого осадка на катоде. Таким путем можно  получить химически чистую медь. Ион  отдает аноду два электрона и превращается в нейтральный радикал SO₄, вступая во вторичную реакцию с медным анодом:

    Образовавшаяся  молекула сульфата меди переходит в  раствор.

    Таким образом, при прохождении электрического тока через водный раствор сульфата меди происходит растворение медного  анода и отложение меди на катоде. Концентрация раствора сульфата меди при этом не изменяется.

    Закон электролиза был экспериментально установлен английским физиком М. Фарадеем в 1833 году. Закон Фарадея определяет количества первичных продуктов, выделяющихся на электродах при электролизе: масса m вещества, выделившегося на электроде, прямо пропорциональна заряду Q, прошедшему через электролит:

    m = kQ = kIt.

    Величину  k называют электрохимическим эквивалентом.

    Масса выделившегося на электроде вещества равна массе всех ионов, пришедших  к электроду: 

    Здесь m₀ и q₀ – масса и заряд одного иона, - число ионов, пришедших к электроду при прохождении через электролит заряда Q. Таким образом, электрохимический эквивалент k равен отношению массы m₀ иона данного вещества к его заряду q₀.

    Так как заряд иона равен произведению валентности вещества n на элементарный заряд e (q₀ = ne), то выражение для электрохимического эквивалента k можно записать в виде: 

    Здесь N_A – постоянная Авогадро, M=m₀N_A– молярная масса вещества,        F = eN_A – постоянная Фарадея.

    Постоянная  Фарадея численно равна заряду, который  необходимо пропустить через электролит для выделения на электроде одного моля одновалентного вещества.

    Закон Фарадея для электролиза приобретает  вид:  

    Явление электролиза широко применяется  в современном промышленном производстве. В частности, электролиз является одним  из способов промышленного получения алюминия, водорода, а также гидроксида натрия, хлора, хлорорганических соединений, диоксида марганца, пероксида водорода. Большое количество металлов извлекаются из руд и подвергаются переработке с помощью электролиза. Электролиз находит применение в очистке сточных вод.

    ΙΙ. Электрический ток  в газах

        Все газы в естественном состоянии  не проводят электрического тока. В чем можно убедиться из следующего опыта: возьмем  электрометр  с  присоединенными   к   нему   дисками   плоского конденсатора  и зарядим его. При комнатной температуре, если воздух достаточно сухой, конденсатор заметно не  разряжается  –  положение  стрелки электрометра  не  изменяется.  Чтобы  заметить  уменьшение  угла  отклонения стрелки  электрометра,  требуется  длительное  время.  Это  показывает,  что электрический  ток  в  воздухе  между  дисками  очень   мал.   Данный   опыт показывает, что воздух является плохим проводником электрического тока.

     Видоизменим опыт: нагреем воздух между дисками  пламенем спиртовки. Тогда угол отклонения стрелки электрометра быстро  уменьшается, т.е. уменьшается разность потенциалов между дисками конденсатора –  конденсатор  разряжается. Следовательно, нагретый воздух между  дисками  стал  проводником, и в нем устанавливается электрический ток.

     Изолирующие свойства газов объясняются тем, что в них нет  свободных электрических зарядов: атомы и молекулы газов в естественном  состоянии являются нейтральными.

     2.1. Ионизация газов.  Вышеописанный  опыт  показывает,  что  в  газах  под  влиянием   высокой температуры  появляются  заряженные  частицы.   Они   возникают   вследствие отщепления от атомов газа одного или  нескольких  электронов,  в  результате чего вместо нейтрального атома  возникают положительный  ион  и  электроны. Часть образовавшихся  электронов  может  быть  при  этом  захвачена  другими нейтральными атомами,  и  тогда  появятся  еще  отрицательные  ионы.  Распад молекул газа на электроны и положительные ионы называется ионизацией газов.

     Нагревание  газа до высокой температуры не является единственным способом ионизации молекул  или атомов газа. Ионизация газа может происходить под влиянием различных внешних взаимодействий: сильного нагрева газа, рентгеновских  лучей, a-, b- и g-лучей, возникающих при радиоактивном распаде, космических лучей, бомбардировки молекул газа быстро движущимися электронами или ионами. Факторы, вызывающие ионизацию газа называются ионизаторами. Количественной характеристикой процесса ионизации служит интенсивность ионизации, измеряемая числом пар противоположных по знаку заряженных частиц, возникающих в единице объема газа за единицу времени.