Как найти сопротивление электролита

ЭЛЕКТР О ТЕХНОЛОГИЯ

электронный учебно-методический комплекс

Лекция 2

В зависимости от характера свободных электрических зарядов принято различать проводники первого и второго рода. Под действием электрического поля в проводниках первого рода (металлы) свободные заряды (электроны) направленно перемещаются. В проводниках второго рода (электролиты) под действием электрического поля перемещаются ионы.

Отдельные проводники первого и второго рода характеризуются различной способностью проводить электрический ток.

Плотность электрического тока, А/ м 2 , в металлических проводниках

где γ – коэффициент пропорциональности, зависящей от концентрации, заряда и массы электрона, длины его свободного пробега в металле и скорости теплового движения, 1/(Ом∙м); Е – напряженность электрического поля, В/м.

Для растворов электролитов плотность электрического тока также определяется выражением (2.1), но коэффициент γ зависит от концентрации ионов, их заряда и подвижности.

Коэффициент γ пропорциональности называется удельной электрической проводимостью, а обратная ей величина ρ=1/γ – удельным электрическим сопротивлением проводников.

Сопротивление, Ом, проводника, поперечное сечение которого по всей длине постоянное,

где ρ – удельное электрическое сопротивлении проводника, Ом-м; l-его длина, м; S – площадь поперечного сечения, м 2 .

Удельное сопротивление проводниковых материалов зависит от наличия в них примесей. В электротехнике в качестве, проводниковых материалов используют главным образом медь, алюминий, сталь и сплавы высокого сопротивления. Удельное сопротивление чистых металлов меньше, чем металлов, содержащих примеси. Если в медь добавить 0,1. 0,2 % железа, то ее удельное сопротивление повысится в 1,5. 2 раза.

С увеличением температуры проводника возрастает его сопротивление. Зависимость удельного сопротивления от температуры может быть выражена формулой

где ρ 20 -удельное электрическое сопротивление при 20 °С, Ом· м; – превышение температуры на 20 °С; α, β, γ – постоянные коэффициенты.

При невысоких температурах проводниковых материалов ( 300 °С) можно ограничиться первым членом ряда, принимая

Удельное сопротивление металлических проводниковых материалов, наиболее часто используемых в электротехнических устройствах, составляет 1,7∙10 -8 . 1,4∙10 -6 Ом∙м.

Удельное сопротивление электролита зависит от степени диссоциации, которая определяется отношением числа диссоциированных молекул к общему их числу, находящемуся в растворе. Степень диссоциации зависит от природы и концентрации электролита.

Удельное сопротивление водных растворов электролитов можно легко найти экспериментально, при помощи коаксиально расположенных полых металлических цилиндров (рис. 2.1). Дно внешнего цилиндра выполнено из электроизоляционного материала, а внутреннее пространство между электродами заполнено исследуемым раствором. Цилиндры, подключенные к источнику переменного напряжения, являются электродами, подводящими электрическое напряжение к раствору. Контролируют силу тока, напряжение и температуру раствора. Сопротивление, Ом, раствора, заключенного между электродами, рассчитывают при температуре 20°С:

где U – напряжение, В; I – сила тока, А.

Рис. 2.1. Схема для определения удельного сопротивления электролитов.

Для того чтобы это сопротивление выразить через удельное сопротивление и конструктивные параметры, определим сопротивление, Ом, бесконечно тонкого слоя раствора, находящегося на расстоянии r от оси цилиндров

Здесь dr – толщина слоя, м; r – расстояние от оси. м; h – высота цилиндров, м.

Сопротивление всего объема раствора

Приравнивая выражения (2.2) и (2.4), можно определить удельное электрическое сопротивление

Или удельную электропроводимость

С повышением температуры увеличивается степень диссоциации водных растворов электролитов, и поэтому возрастает их электропроводимость. Удельная электропроводимость, Ом/м, при любой температуре

где g 20 -удельная электропроводимость при температуре 20 °С, Ом/м;

а – коэффициент температурного изменения электропроводимости (0,025. 0,035); t – температура °С.

Приняв а =0,025, формулу (2.9) можно переписать в виде

удельное электрическое сопротивление

При температуре 20°С в зависимости от концентрации солей удельное сопротивление воды колеблется от 2 до 100 Ом· м. Оно уменьшается при нагреве в соответствии с формулой (2.12), а при закипании возрастает вследствие образования в воде воздушных пузырьков.

Электроконтактный нагрев, связанный с преобразованием электрической энергии в теплоту непосредственно в металлическом нагреваемом изделии (детали), применяют при нагреве заготовок или деталей из черных и цветных металлов для последующей горячей обработки давлением (ковка, штамповка, гибка и т. п.), для термической обработки (закалка, отпуск, отжиг), а также с целью контактной электрической сварки давлением.

Принципиальная схема простейшей установки электроконтактного нагрева изделий D показана на рисунке 2.2. Основные элементы схемы: токоподводящие контакты К, через которые напряжение переменного тока вторичной обмотки трансформатора Т подводится к нагреваемому изделию, токопроводящие провода, шины, зажимные устройства и т. д. Для надежного прижатия контактов К. используют различные приспособления (гидравлические, пневматические, электромагнитные и др.), создающие дополнительное усилие F.

Количество теплоты, выделяемой в единицу времени, т. е. мощность, Вт,

где R – сопротивление детали переменному току. Ом: U – значение напряжения приложенного к проводнику, В.

Рис. 2.2. Схема установки электроконтактного нагрева

Так как сопротивление R металлических тел с хорошей электропроводностью небольшое, для прямого их нагрева требуются значительные токи (сотни и тысячи ампер) при напряжении 5. 25 В. Для прямого нагрева применяют переменный ток благодаря относительной простоте получения низкого напряжения от понижающих трансформаторов.

При протекании переменного электрического тока по проводнику (металлическая деталь) проявляется поверхностный эффект, заключающийся в неравномерном распределении плотности тока по сечению проводника, которая экспоненциально уменьшается по направлению к его оси, т. е.

где j x – плотность тока в слое проводника на расстоянии х от его поверхности, А/м 2 ; j m – плотность тока на поверхности проводника, А/м 2 ; z o – эквивалентная глубина проникновения тока, м.

Максимальное значение плотности тока на поверхности проводника, а в слое, толщина которого равна эквивалентной глубине проникновения, выделяется около 90 % общего количества теплоты. Это позволяет реальное распределение плотности тока по сечению заменить фиктивным, считая, что электрический ток проникает только до глубины z o , плотность его на всей этой глубине постоянна, а выделяющаяся тепловая энергия равна количеству теплоты при реальном токораспределении.

Эквивалентная глубина проникновения тока – расстояние от поверхности проводника, на котором плотность тока в е=2,71 раза меньше, чем на поверхности. Глубина

Здесь ρ -удельное электрическое сопротивление проводника, Ом-м; μ r – относительное значение магнитной проницаемости проводника; f – частота тока, Гц.

Для f=50 Гц формула (4.15) приобретает вид

Металл или сплав	Удельное сопротивление. Ом·м	Глубина проникновения тока, 10 -3 м, при частоте
50 Гц.	10 кГц	1 МГц
Медь	1,7-10- 8	9.4	0.66	0,066
Алюминий	2,8-10- 8	12,4	0,84	0,084
Латунь	(0,07. 0,2)10- 6	19,5	1.37	0,137
Сталь (μ r =200)	0,5-10- 6	3,3	0.24	0,024

Эквивалентная глубина проникновения электрического тока на трех частотах для некоторых металлов и сплавов приведена в таблице 4.1.

Рассмотрим процесс нагрева проводника длиной l поперечного сечения S, изготовленного из немагнитного металла и имеющего форму цилиндра диаметро d.

Если плотность j тока распределяется одинаково по всему сечению проводника, как при постоянном токе то мощность, выделяющаяся в нем,

а при переменном токе с учетом неравномерного распределения плотности тока, т. е. поверхностного эффекта, мощность

где dS – элемент поперечного сечения S проводника.

Коэффициент поверхностного эффекта

, P = – мощности, выделяющиеся в проводнике при переменном и постоянном токе.

Приняв во внимание, что

выражение (2.19) можно переписать в виде

, R = – сопротивления проводника на переменном и постоянном токе, Ом; I – сила постоянного тока или действующее значение переменного тока.

Мощность, выделяющаяся в проводнике при переменном токе,

С учетом эквивалентной глубины проникновения тока коэффициент поверхностного эффекта

Здесь – площадь поперечного сечения проводника, в котором переменный ток протекает только на глубине z o от поверхности при постоянной плотности тока.

С некоторым приближением можно считать ,

Для проводника круглого сечения единичной длины

Для проводников из ферромагнитных материалов мощность определить сложно, так, как нужно учесть перемагничивание материала, а также зависимость магнитной проницаемости от тока, протекающего по проводнику.

В устройствах и установках электроконтактного нагрева определяют не параметры нагревательных устройств, поскольку ими служат нагреваемые детали, а параметры источника питания. Для выбора трансформатора необходимо знать его мощность S тр и вторичное напряжение U2.

Если известны масса m, кг, детали, начальная t 1 и конечная t 2 температуры нагрева, °С, а также его продолжительность τ, с, то полезная мощность, Вт,

С учетом электрических и тепловых потерь общая мощность, Вт, подводимая к электронагревательному устройству,

где η – коэффициент полезного действия устройств электроконтактного нагрева ( η =0,55 . 0,82).

Чтобы сократить электрические потери и достичь максимального КПД, суммарное сопротивление вторичной обмотки понижающего трансформатора, соединительных проводов и контактов должно быть минимальным.

Среднее значение вторичного напряжения за время нагрева

– среднее значение сопротивления детали при переменном токе за время нагрева.

Мощность трансформатора, В∙А, с учетом повторно-кратковременного режима работы установки

где η тр – КПД трансформатора (0,9 . 0,95); cosφ – средний коэффициент мощности (0,6 . 0,85); ПВ – относительная продолжительность включения установки.

Относительная продолжительность включения установки

Здесь τр – время нагрева, с; τц= τр +τп – время цикла нагрева, с;

τп – время паузы между включениями установки, с.

Электроконтактный нагрев применяют главным образом для деталей, имеющих одинаковое сечение по длине. При этом тепловой КПД, определяемый как

зависит от геометрических параметров детали. Чем больше отношение длины l детали к поперечному сечению, S

, тем выше КПД. При небольшом значении этого отношения КПД резко снижается.

В электродных нагревателях материал с ионной проводимостью, заключенный между электродами, образует проводник, в котором при протекании электрического тока по закону Ленца-Джоуля выделяется теплота, используемая для нагрева воды, молока, почвы и др. В устройствах электродного нагрева применяют исключительно переменный ток, так как при постоянном токе возникает электролиз. Несмотря на то, что принято считать, что при переменном токе электролиз не происходит, при больших плотностях тока это явление все же наблюдается. Поэтому нагрев выполняют при небольших плотностях тока, максимальное значение которых зависит от конфигурации применяемых электродов.

В качестве материалов для электродов можно использовать любые проводники. Однако следует помнить, что они должны противостоять коррозии в электрическом поле, при высокой температуре и большой влажности. При нагреве материалов, предназначенных для технических нужд, электроды изготавливают из конструкционной стали или латуни. При нагреве продуктов, идущих на кормление или поение животных, электроды не должны образовывать токсичные оксиды. В большей мере этому требованию отвечают уголь и графит. Однако их используют редко из-за нетехнологичности. Более распространены электроды из нержавеющей стали.

Простейшую электродную систему, состоящую из пары плоских электродов, применяют в нагревателях небольшой мощности, используемых редко. В мощных нагревателях применяют трехфазные системы, состоящие из нескольких электродов. Наиболее распространена система из трех плоских электродов, изогнутых под углом 120° (рис. 2.3,а), и электродов в виде коаксиальных цилиндров (рис. 2.3,б). Используют также плоские электроды (рис. 2.3,в), число которых для обеспечения симметричной нагрузки питающей сети принимают 3n+1, где n – целое число.

Рис. 2.3. Электродные системы: a) из электродов, изогнутых под углом 120 о ; б) из коаксиальных цилиндрических электродов: в) из плоских электродов

Схема замещения устройств электродного нагрева зависит от конструкции систем и способности материала емкости проводить электрический ток. В случае применения емкости из электроизоляционного материала и электродных систем (см. рис. 2.3,а и 2.3,в) схемы замещения представляют собой треугольник, а в системе на рисунке 2.3, б-звезду независимо от электропроводящих свойств материала емкости. При использовании электродных систем (рис. 2.3a, и 2.3.в) с электропроводящими емкостями в схемах замещения появляются дополнительные резисторы, включенные в звезду.

Рассмотрим процесс нагрева в устройстве с одной парой плоских электродов.

Тепловая мощность, Вт, выделяющаяся в одном межэлектродном промежутке,

где U – межфазное напряжение, В; γ – удельная электрическая проводимость нагреваемого материала, Ом/м; S – площадь электродов, м 2 ; l – расстояние между электродами, м.

Если принять, что напряжение U в процессе нагрева постоянное и конструктивные параметры S и l не изменяются, то вследствие зависимости удельной электрической проводимости нагреваемого материала от температуры мощность в процессе нагрева будет изменяться. Удельная электрическая проводимость увеличивается в соответствии с выражением (2.11) и мощность, Вт, при любом значении температуры t.

где P 20 -мощность при температуре 20 °С. Вт.

При закипании воды мощность нагревателя снижается, так как при этом уменьшается удельная электропроводимость воды.

Так как электропроводимость большинства материалов, подлежащих электродному нагреву, объясняется присутствием в них воды, то максимальная плотность тока на электродах и в соприкасающихся с ними объемах нагреваемого материала ограничивается условиями недопустимости процесса электролиза. Предельная плотность тока j доп , А/см 2 , не приводящая к электролизу, зависит от конструкции электродных систем. Для плоских электродов она может быть принята равной 0,5 А/см 2 или рассчитана по эмпирической формуле,

где ρ 2 – удельное сопротивление материала, Ом∙см, соответствующее наибольшему значению температуры и определяемое по выражению (2.12).

Для электродов цилиндрической формы максимальное значение допустимой плотности тока составляет 1,5. 2 А/см 2 .

В установках периодического действия при неизменном напряжении на электродах плотность тока не остается постоянной в процессе нагрева. Она возрастает из-за уменьшения удельного электрического сопротивления материала при увеличении температуры. При конечной температуре нагрева плотность тока не должна превышать допустимого значения. В установках непрерывного действия она изменяется только в первоначальный период, когда установка выходит на сбалансированный по теплоте режим, т. е. температура выходящего из нагревателя продукта стабилизируется. Во всех зонах межэлектродного промежутка плотность тока определяется удельным сопротивлением материала при постоянном питающем напряжении и неизменных конструктивных параметрах электродной системы. Напряженность электрического поля в нагреваемом материале, зависящая от подведенного к электродной системе напряжения и расстояния между электродами, во время работы остается неизменной.

Вместе с этим по мере продвижения материала в нагревателе температура его повышается, а удельное сопротивление уменьшается. При входе в нагреватель холодный материал имеет минимальное удельное сопротивление, а на выходе-максимальное, соответствующее конечной температуре нагрева.

В электродных системах с плоскопараллельными электродами плотность тока, А/см 2 , во всех сечениях межэлектродного пространства

где U – напряжение на электродах, В; ρ – удельное сопротивление материала, Ом∙см; l – расстояние между электродами, см.

Для электродной системы, образованной коаксиальными цилиндрами, плотность тока, А/см 2 , в поперечном сечении межэлектродного пространства

Здесь r – текущий радиус точки в межэлектродном промежутке, см: r1 и r2 – радиусы наружного и внутреннего электродов, см.

Из формулы (2.38) следует, что плотность тока на электродах системы неодинакова. Она минимальна на внешнем электроде и максимальна на внутреннем.

Напряженность электрического поля Е, В/см, и плотность тока j, А/см 3 , в межэлектродном пространстве связаны следующей зависимостью:

где ρ – удельное электрическое сопротивление материала при соответствующей температуре, Ом∙см.

Электрическое поле в межэлектродном пространстве, образованном плоскопараллельными электродами, однородно и его напряженность. В/см,

где l – расстояние между электродами, см.

Напряженность электрического поля, В/см, в межэлектродном пространстве, образованном двумя коаксиальными цилиндрами,

Из отношения (2.41) следует, что напряженность электрического поля максимальна на внутреннем электроде и минимальна на внешнем.

Фактическая максимальная напряженность электрического поля в межэлектродном пространстве не должна превышать пробивную напряженность нагреваемого материала. Допустимая напряженность

Пробивная напряженность материалов при прочих равных условиях зависит от их удельного сопротивления.

При расчете электродных нагревательных устройств определяют потребную мощность и конструктивные параметры электродной системы. Потребную мощность находят с учетом технологических условий, которые характеризуют тот или иной производственный процесс. Для нагревателей периодического действия такими параметрами являются: объем V, м 3 , нагреваемого материала; его удельная теплоемкость С, Дж/(кг∙°С); плотность δ, кг/м 3 ; удельное, электрическое сопротивление ρ, Ом∙м; время нагрева τ, с; начальная t1 и конечная t2 температуры, °С, нагрева. Необходимо также знать тепловой КПД нагревателя ηт, который ориентировочно может быть принят по аналогии с другими электронагревателями, работающими в сходных условиях. Для нагревателей непрерывного действия задается производительность L, м 3 /c устройства.

Полезную мощность нагревателей находят по формулам (1.4) и (1.5), а потребную по выражению

Вычисленная таким образом Р потр предполагает работу с постоянной мощностью, что справедливо лишь для нагревателей непрерывного действия.

В нагревателях периодического действия мощность возрастает от P1 при начальной температуре t1 до P2 при конечной температуре t2. Мощность определяется удельным сопротивлением материала при соответствующих температурах. С учетом формулы (2.12)

Потребную мощност I>Р потр можно найти чере I>P1 I>P2 как

Мощност I>P2 находят из уравнений – (2.44) и (2.45) по выражению

Расчетная мощность, Вт, для однофазных нагревателей

Для трехфазных нагревателей расчет выполняют для одной фазы, т. е.

Расчетный ток, А, нагревателя

где U – напряжение на электродах, В.

Для системы, состоящей из двух плоскопараллельных электродов, размещенных в емкости электроизоляционного материала, принимают действительную плотность тока j доп , А/см 2 , и находят рабочую площадь, см 2 , каждого из электродов

По вычисленному значени I>S с учетом конструктивных ограничений определяют высот I>h, см, и ширин I>b, см, электродов так, чтоб I>hb=S

Межэлектродное расстояние, см,

где ρ 2 – удельное электрическое сопротивление материала при температуре t 2 . Ом∙см

На заключительном этапе расчета по формуле (2.40) определяют действительную напряженность электрического поля и сравнивают ее с допустимой. При этом должно выполняться условие (2.42),

Для цилиндрических коаксиальных электродов по выражению (2.50) находят площадь S внутреннего электрода. Приняв один из параметров h (высота электродов) или d 1 (диаметр внутреннего электрода), рассчитывают другой параметр так, чтобы S=πd 1 h.

Затем находят диаметр внешнего электрода по формуле

Действительную напряженность электрического поля определяют по формуле (2.41) и проверяют по условию (2.42).

При расчете однофазных нагревателей непрерывного действия принимают

Конструктивные их параметры рассчитывают по удельному электрическому сопротивлению ρ кр материала

соответствующему средней температуре

Рассмотренную методику можно использовать для расчета нагревателей с электродными системами любой конструкции. Однако при этом эквивалентное сопротивление материала, заключенного в межэлектродном пространстве, определяют с учетом геометрических коэффициентов электродных систем. Их находят по известным формулам, которые приведены в литературе.

Нагревательные элементы – основной узел электротермического оборудования, реализующего косвенный нагрев методом сопротивления. Безотказная работа элементов во многом определяет надежность электротермических установок и возможность соблюдения требуемого технологического режима.

Материал нагревателей выбирают в первую очередь в зависимости от требуемой рабочей температуры оборудования и условий работы нагревательных элементов. Эти материалы должны быть жаростойкие (не окисляться в условиях высокой температуры), жаропрочны (сохранять прочностные качества при высоких температурах) и технологичны (легко поддаваться обработке при изготовлении установки). Перечисленным требованиям должны отвечать материалы всех конструктивных элементов, находящихся в рабочем пространстве электротермического оборудования.

К материалам нагревательных элементов также предъявляются специфические требования, обусловленные особенностями их работы. Так, удельное электрическое сопротивление элементов должно быть большое, что позволяет выбрать конструктивные параметры нагревателей таким образом, чтобы их можно было разместить в ограниченном объеме и включать непосредственно в сеть, не снижая напряжения. Кроме того, их температурный коэффициент сопротивления должен быть небольшим для того, чтобы сопротивление холодного и горячего нагревателей и, следовательно, мощность, потребляемая установкой из сети, изменялась незначительно. Физические свойства материала нагревательных элементов должны быть постоянные, т. е. противостоять старению – увеличению сопротивления с течением времени, что вызывает уменьшение мощности установки

Сплавы хромникелевые (нихромы), хромалюминиевые (фехрали) и хромникельалюминиевые (нихромы с алюминием) – основные материалы для нагревателей косвенного нагрева сопротивлением.

Хромникелевые сплавы в наибольшей мере отвечают требованиям, предъявляемым к материалам нагревательных элементов. Различают нихромы двойные, содержащие хром и никель (Х20Н80), и тройные, в состав которых, кроме никеля и хрома, входит железо (Х15Н60). Чем больше никеля в сплаве, тем выше его качество и рабочая температура. Максимальная рабочая температура двойного нихрома Х20Н80 – 1100 °С. В низкотемпературных электротермических установках достаточно надежно работают более дешевые двойные нихромы, содержащие 24. 27 % хрома и 17. 20 % никеля (Х25Н20 и Х23Н18).

Стоимость хромалюминиевых сплавов по сравнению с нихромами более низкая, прочность при высоких температурах меньшая, обрабатываются они хуже. Для нагревателей с рабочей температурой до 700 °С применяют фехраль Х13Ю4 – сплав, содержащий помимо железа 13 % хрома и 4 % алюминия.

Характеристики хромникельалюминиевых сплавов (например, Х15Н60ЮЗА) по сравнению с безникелевыми улучшены (рабочая температура до 1100°С), и стоимость их более низкая за счет уменьшения содержания никеля.

В электротермических установках с рабочей температурой выше 1250 °С применяют неметаллические нагреватели из карборунда, дисилицида молибдена, графита или из тугоплавких металлов (вольфрама, тантала, ниобия и др.).

Температурный коэффициент сопротивления нагревателей, изготовленных из обычной стали, большой, жаростойкость и жаропрочность невысокие, сопротивление зависит от значения тока, протекающего по нагревателю. Однако вследствие дешевизны и недефицитности их широко применяют в низкотемпературных электротермических устройствах с рабочей температурой 300. 400°С.

Нагревательные элементы по конструктивному исполнению принято разделять на открытые, закрытые и герметические.

Открытые нагреватели из металлических сплавов изготавливают из проволоки или ленты, свернутых в спираль или изогнутых зигзагообразно (рис. 2.4, а) и б). Открытые спиральные и зигзагообразные нагреватели крепят на керамических жаропрочных изоляторах в рабочем пространстве электротермических установок. Теплота от таких нагревателей передается конвекцией и излучением. Чем выше температура нагревателя, тем большая часть энергии инфракрасным излучением передается нагреваемому материалу.

Рис.2.4 Нагревательные элементы; а и б – открытые соответственно в виде спирали и зигзагообразные; в – закрытые; 1 – нагреватель; 2 – защитный кожух.

Помимо проволочных нагревателей в качестве источников инфракрасного излучения в электротермических установках используют специальные лампы (см. раздел “Электрическое освещение и облучение”).

В нагревательных элементах закрытого исполнения (рис 2.4, в) нагреватель находится в защитном кожухе, предохраняющем его от механического воздействия окружающей среды. Защищенные нагревательные элементы передают теплоту в основном конвекцией.

В электротермических устройствах открытые и закрытые элементы используют из-за их простоты и невысокой стоимости. Однако наиболее распространены в электротермическом оборудовании сельскохозяйственного назначения герметические нагревательные элементы или ТЭНы.

Трубчатые нагревательные элементы (ТЭНы) применяют для нагрева воды, воздуха, растворов электролитов и других сред. ТЭНы можно размещать в нагреваемой среде. Они надежно работают при вибрациях и ударных нагрузках, отличаются электро- и пожароопасностью, повышенным сроком службы.

ТЭН (рис. 2.5, а) представляет собой тонкостенную металлическую трубку (оболочку) 1 с наполнителем, в которую запрессована нагревательная спираль 2 из проволоки с большим удельным электрическим сопротивлением. В качестве наполнителя 4 используют периклаз – кристаллический оксид магния или кварцевый песок с хорошими электроизоляционными и теплопроводящими свойствами. Концы спирали соединены с контактными стержнями 3, которые через изоляторы 5 выходят наружу нагревателя и служат для присоединения к ним проводов питающей сети. Контактные стержни и проходные изоляторы надежно герметизируют термовлагостойким лаком.

Материал оболочки (медь, латунь, углеродистая и нержавеющая сталь) определяет механическую прочность ТЭНа, его химическую стойкость и зависит от назначения электронагревателя. ТЭНы с оболочкой из нержавеющей стали, имеющей повышенную жаропрочность и коррозионную стойкость, применяют для нагрева агрессивных сред, а также при работе с температурой на оболочке ТЭНа свыше 450 °С. ТЭНы с медной оболочкой используют при небольших температурах в средах, вызывающих коррозию других металлов. Например, для подогрева воды предназначены трубчатые нагревательные элементы из медной трубки, покрытой оловом, никелем или хромом. Стальные трубы используют для изготовления ТЭНов, нагревающих сухой воздух, масло и т. и. при температуре оболочки, не превышающей 400. 450 °С. Для ТЭНов, работающих при повышенной влажности воздуха, температура которых может превышать 450 °С, чаще всего применяют трубы из высоколегированной стали.

Рис.2.5. Герметические нагревательные элементы: а – разрез ТЭНа; б – разновидности ТЭНов; в – ТЭН с оребрением; 1- оболочка (трубка); 2 – нагревательная спираль; 3 – контактный стержень; 4 – наполнитель (периклаз); 5 – изолятор; 6 – оребрение.

В сельскохозяйственном производстве используют трубчатые электронагреватели серий НВ, НВЖ, ТЭН, ЭТ для воды, слабых растворов солей, щелочей и кислот; НВС, ТЭН, ЭТ для нагрева воздуха до 350 °С в установках и помещениях; НВСЖ для нагрева воздуха до 600 °С; НММ, НММЖ, ТЭН, ЭТ для минеральных масел и пищевых жиров. Обозначение Н [1] Ж [2] [3] нагревателей серии НВ, НВЖ, НВС, НВСЖ, НММ, НММЖ расшифровывают следующим образом: Н – нагреватель; [1] – В – воды, ВС – воздуха, ММ – масла, Ж – с жаропрочной оболочкой; [2] -развернутая длина, м; [3] – номинальная мощность, кВт. Обозначение ТЭН – [1] [2] [3] / [4] [5] [6] расшифровывается так: Т – трубчатый; Э – электрический; Н – нагреватель; [1] – развернутая длина, см; [2] – условное обозначение длины контактного вывода; [3] – наружный диаметр оболочки (трубки), мм; [4] – номинальная мощность, кВт; [5] – условное обозначение нагреваемой среды; [6] – номинальное напряжение, В. Обозначение ЭТ-[1] нагревателей серии ЭТ указывает: Э – электронагреватель; Т – трубчатый; [1] – развернутая длина, см.

Для рационального размещения ТЭНов в рабочей зоне электротермического оборудования им придают различную форму (рис. 2.5, б) и устанавливают при помощи крепежных устройств (штуцеров, планок и т. п.), соединенных с оболочкой сваркой, пайкой, или опрессовкой.

При нагреве газообразных сред для увеличения теплоотвода от ТЭНов применяют оребрение 6 (рис. 2.5, б), выполняемое из металла с хорошей теплопроводностью. Это способствует сокращению габаритных размеров электротермических установок и, следовательно, их металлоемкости.

Основной параметр, характеризующий ТЭНы, – удельная поверхностная мощность P F , Вт/см 2 ,

где Р мощность ТЭНа, Вт; D – диаметр, см, l a – активная длина, см, ТЭНа.

Предельное значение РF ТЭНа определяется условиями работы, допустимыми температурами спирали, наполнителя и оболочки. Для ТЭНов, имеющих стальную оболочку, нихромовую нагревательную спираль и периклаз в качестве наполнителя, допустимая удельная мощность составляет от 2 Вт/см 2 при нагреве воздуха в условиях свободной конвекции до 11 Вт/см 2 при нагреве воды в условиях вынужденнной конвекции. Чтобы определить число нагревателей для конкретных установок, подсчитывают потребную мощность, находят по формуле (1.41) общую мощность Р уст электротермической установки и по каталогу для соответствующих условий работы определяют тип ТЭНа и его номинальную мощность P 1 . Число ТЭНов для данной установки

Для равномерной загрузки трехфазной питающей сети число ТЭНов должно быть кратным трем.

Цель электрического расчета нагревателей – определение их размеров (сечения и длины). Исходные данные: мощность Рн, Вт, одного нагревателя; напряжение U питающей сети, В; условия работы нагревательных элементов.

Расчет основывается на том, что нагреватель можно рассматривать как элемент электрической цепи, для которого справедливы законы электротехники.

Так, мощность, Вт, нагревателя в соответствии с законом Ленца-Джоуля

где U H – напряжение питания нагревателя, В; R H – сопротивление нагревателя, Ом.

Одновременно нагреватель можно рассматривать как нагретое тело, участвующее в теплообмене с окружающей средой. В стационарном режиме мощность Рн полностью передается окружающей среде. Уравнение теплообмена нагревателя с окружающей средой при теплопередаче:

где λ – коэффициент теплопроводности. Вт/м.°С; t 1 , T 1 и t 2 , T 2 -температуры нагреваемой среды (материала) и нагревателей, °С и K; F T , F K , F и – площади поверхностей, участвующих в теплообмене теплопроводностью, конвекцией и излучением, м 2 ; α к – коэффициент конвективной теплоотдачи; 5,7- постоянная Стефана-Больцмана; С пр – приведенная степень черноты тел, участвующих в теплообмене; α 1 -коэффициент эффективности излучения нагревателей ( α 1 =0,3. 0,7); ω т , ω к , ω и -удельные поверхностные мощности нагревателей при теплообмене теплопроводностью, конвекцией, излучением, Вт/м 2 .

Удельная поверхностная мощность нагревателей при теплопередаче:

Зная конкретные условия работы нагревателей, можно определить соответствующие удельные поверхностные мощности. Однако их расчет по формулам (2.64), (2.65) и (2.66) носит приближенный характер, так как входящие в них коэффициенты являются сложными функциями многих переменных.

Обозначив в общем случае удельную поверхностную мощность нагревателя основные размеры нагревателей находят из следующих уравнений:

где R н – сопротивление нагревателя, Ом; U – напряжение, подведенное к нагревателю. В; Р н -мощность нагревателя, Вт; ρ – удельное сопротивление материала нагревателя, Ом∙м; l -длина нагревателя, м; S – площадь поперечного сечения нагревателя, м 2 ; Пl=F – площадь боковой поверхности нагревателя, м 2 ; П – поперечный периметр нагревателя, м.

Из уравнений (2.67) и (2.68)

Для нагревателя круглого сечения

где d – диаметр проволоки нагревателя, м.

Подставив эти значения в формулу (5.13), получим расчетный диаметр нагревателя

По значению d подбирают ближайший больший стандартный диаметр проволоки нагревателя. Длина проволочного нагревателя

Для ленточного нагревателя

где a,b – толщина и ширина ленты, м, m =b/a – отношение ширины к толщине ленточного нагревателя.

Расчетная толщина нагревателя прямоугольного сечения

При рабочей температуре больше 700°С не рекомендуется применять для элементов проволоку диаметром меньше 5 мм и ленту толщиной менее 1,5 мм, так как малое сечение из-за окисления материала приводит к значительному сокращению срока службы нагревателей.

Из формул (2.72) и (2.75) видно, что при снижении напряжения питания расчетное сечение нагревателей увеличивается, а расчетная длина уменьшается. Значит, размещение нагревателей в рабочем пространстве печи облегчается. При этом повышается срок их службы.

Основные параметры нагревателей можно рассчитать упрощенно по рабочему току и расчетной температуре. Температуру рабочей поверхности нагревателя t раб принимают такой, чтобы она была больше технологически необходимой температуры материала.

Для открытого нагревательного элемента

где t раб -температура рабочей поверхности нагревательного элемента. °С; t расч – расчетная температура нагревателя, °С.

Зная рабочий ток и расчетную температуру, по таблице 5.1 Определяют диаметр проволоки. Таблица составлена для нагревательного элемента из неизолированной нихромовой проволоки круглого сечения, подвешенного в неподвижной воздушной среде.

Нагревательный провод может быть намотан в виде спирали или уложен равномерно на керамический каркас и защищен пластинами из жаропрочного электроизоляционного материала или металла, что повышает температуру элементов.

Чтобы выбрать сечение нагревателя по таблице 5.1, находят расчетную температуру по формуле

где k M – коэффициент монтажа, учитывающий ухудшение условии охлаждения нагревателя из-за его конструктивного исполнения; k c – коэффициент среды, учитывающий улучшение, фактических условий охлаждения нагревателя по сравнению с неподвижной воздушной средой.

Для нагревательного элемента из проволоки, свитой в спираль, k M = 0,8. 0,9; свитой в спираль на керамическом основании k M =0,6. 0,7; для проволоки нагревательных плиток и некоторых трубчатых водонагревателей k M =0,5. 0,6; для проволоки лабораторных печей, электронагревателей пола и почвы k M =0,3. 0,4. Меньшие значения k M соответствуют проволочным нагревателям меньшего диаметра, большие – большего диаметра.

При работе в условиях, отличающихся от свободной конвекции, принимают k c =1,1. 1,5 для нагревательных элементов в воздушном потоке; kc=2,5 – в неподвижной воде; k c =3,0. 3,5 – в потоке воды,

Температура рабочей поверхности нагревателя должна удовлетворять следующему условию:

где t mах – максимальная допустимая температура для материала нагревателя.

По известной расчетной мощности нагревательного элемента определяют его рабочий ток

где I H , P H , U -сила тока, мощность и напряжение нагревателя.

С учетом выражений (2.67) и (2.70) длина нагревателя

Здесь d – диаметр проволоки нагревателя, м; ρ – удельное сопротивление материала нагревателя при действительной температуре, Ом∙м.

Проволочные нагреватели ориентировочно можно также рассчитать по допустимой плотности тока материала. Сечение нагревателя

где j доп – допустимая плотность тока для материала нагревателей, А/мм 2 (для нихромовой проволоки j доп : =4. 30 А/мм 2 . Большие значения плотности тока соответствуют большим диаметрам и более высоким температурам нагревателя).

По вычисленному сечению рассчитывают диаметр проволоки нагревателя, принимают стандартное его значение и по выражению (2.81) находят длину.

В рабочем пространстве электротермических устройств нагреватели изгибают зигзагообразно или придают им форму спирали.

Для проволочных зигзагообразных нагревателей диаметром d=6… 15 мм высоту А зигзага принимают от 200 до 400 мм по условию механической прочности (см. рис. 2.4,6). Шаг волны выбирают , с тем, чтобы бездефектно изогнуть проволоку.

У ленточных зигзагообразных нагревательных элементов высоту зигзага принимают А ≤ 100 мм 2 , а шаг волны l ш ≥2b. Конструктивная длина проволочного и ленточного зигзагообразных нагревательных элементов

где n – число волн в нагревательном элементе.

Для спиральных нагревательных элементов из проволоки принимают шаг спирали h > (2. 4)d, с тем чтобы соседние ее витки существенно не экранировали одна другую.

Диаметр спирали выбирают из условий обеспечения механической прочности – для никельсодержащих сплавов, обладающих повышенной жаропрочностью, D сп =(7…10)d, для хромалюминиевых сплавов D сп =(5…7)d.

Конструктивная длина спирального нагревательного элемента

где п – число витков спирали; h – шаг спирали; l – длина проволоки в нагревательном элементе; D сп – диаметр спирали.

Специальные, провода и кабели, являясь разновидностью нагревательных элементов при электронагреве сопротивлением, имеют токопроводящую жилу из стали или нихрома, покрытую сверху специальной изоляцией.

Провода используют в технологических процессах сельскохозяйственного производства, в которых рабочая температура не превышает 40°С и применение других нагревательных устройств затруднено по условиям обеспечения электробезопасности или по другим причинам; для обогрева почвы и воздуха в сооружениях защищенного грунта, пола в животноводческих и птицеводческих помещениях, водопроводов на вводе в производственные помещения и т.д.

Нагревательные провода ПОСХП, ПОСХВ и ПОСХВТ имеют однопроволочную стальную токоведущую жилу и полиэтиленовую или поливинилхлоридную изоляцию. В проводе ПНВСВ повышенной надежности, кроме того, есть дополнительная изоляция из фторопластовой ленты, экран из стальных проволочек диаметром 0,3 мм и наружная поливинилхлоридная оболочка. Такая конструкция нагревательного провода позволяет в 4. 5 раз увеличить срок его службы.

Основные технические данные проводов приведены в таблице 5.2.

В отличие от проводов нагревательные кабели могут иметь до трех токопроводящих жил из нихрома. Их изолируют асбестом, селиконом, кристаллическим оксидом магния, кремний с органической резиной, периклазом и другими теплостойкими материалами.

Снаружи кабель покрыт оболочкой из свинца, алюминия, меди, нержавеющей стали или поливинилхлоридного пластика, предохраняющей его от воздействия внешней среды и механических повреждений. По сравнению с нагревательными проводами кабели имеют большие удельные, мощности и рабочие температуры. Так, кабели с наружной оболочкой из нержавеющей стали и магнезитовой изоляцией рассчитаны на температуру до 400 °С. В некоторых случаях их удобнее использовать, чем ТЭНы, так, как при монтаже кабели можно свободно изгибать, придавая им необходимую форму без нарушения их целостности.

Промышленность выпускает нагревательные кабели типов КНРПВ и КНРПЭВ с одной и двумя токоведущими жилами и оболочкой из поливинилхлоридного пластика. Кабели рассчитаны на номинальное напряжение 220 В и устойчивы к воздействию температуры окружающей среды от – 50 до +60 °С. Электрическое сопротивление изоляции кабеля длиной 1 км составляет 100 МОм.

Нагревательные устройства из проводов и кабелей выполняют фиксированным монтажом. В зависимости от технологического назначения они могут быть уложены зигзагообразно или в виде параллельных нитей непосредственно в нагреваемую среду (почву, бетонный пол и др.), подвешены на изоляторах (при обогреве воздуха в парниках и теплицах), проложены в трубах (обогрев насестов).

Исходные данные для расчета таких нагревательных устройств: технологически необходимая мощность Р уст , Вт, напряжение U, В, питания нагревателей. Задачей расчета является определение длины lс, м, провода или кабеля в одной нагревательной секции и числа n секций.

Расчет выполняют в такой последовательности. Задаются рабочей удельной мощностью провода или кабеля длиной 1 м по условию

где р 1раб =р 1доп – рабочая удельная и допустимая удельная мощности провода или кабеля длиной 1 м, Вт/м.

Допустимая удельная погонная мощность р 1доп зависит от условий работы нагревательных элементов. При обогреве полов животноводческих помещений и почвы в сооружениях защищенного грунта она составляет для проводов ПОСХВ и ПОСХП около 11 Вт/м, а для проводов ПОСХВТ и ПНВСВ – 16 Вт/м.

По технологически необходимой общей мощности Р уст устройства и принятому значению р 1раб находят общую длину, м, нагревательного провода

Принятому значению мощности р 1раб соответствует напряжение, В, приходящееся на нагреватель длиной 1 м.

где R 1 – сопротивление привода или кабеля длиной 1 м, Ом.

Длина нагревательной секции, м, подключенной к питающему напряжению U ,

Число секций n должно быть целым и кратным трем, с тем чтобы равномерно загрузить фазы питающей сети нагревательными секциями. Если это не получилось сразу, то изменяют значение р 1раб и повторяют весь расчет.

Нагревательные элементы электротермических установок и устройств рассчитывают на определенную мощность и определенное напряжение. Чтобы обеспечить номинальный режим, нагревательный элемент подключают к питающей сети соответствующего напряжения. Количество теплоты, выделяемое нагревателем в единицу времени, т. е. его мощность, находят по уравнению (2.60).

В процессе работы электротермических установок мощность электронагревателей можно регулировать, изменяя напряжение и сопротивление.

Наиболее просто мощность регулируют ступенчато, переключая нагревательные элементы на различные схемы. При этом изменяются либо число подключенных к сети элементов и их общее сопротивление, либо напряжение на каждом из них.

В большинстве элементов электротермических установок применяют стандартное сетевое напряжение.

Нагреватели мощностью до 1 кВт обычно выполняют однофазными, большей мощности – трехфазными.

Однофазные установки с регулируемой мощностью имеют два или более нагревательных элемента (секции) (рис. 2.6, а). При использовании двух нагревательных элементов мощность регулируют за счет переключения секций, включаемых параллельно (максимальная мощность) или последовательно (минимальная мощность). Среднюю мощность нагрева получают при включении одной секции.

Если сопротивление одного нагревателя равно R 1H , то при параллельном включении n нагревателей общее сопротивление нагревательного устройства

Рис. 2.6 Схемы включения нагревательных секции: а) и б) – одно и трехфазных нагревательных устройств

При включении одного нагревателя полное сопротивление устройства

При последовательном включении n секций полное сопротивление нагревательного устройства

Для рассмотренных здесь способов включения нагревательных элементов мощность составит соответственно:

,	(2.93)
,	(2.94)
,	(2.95)

Если принять мощность P2 за единицу, то соотношение мощностей

Так, при n=2 соотношение мощностей

т.е. диапазон регулирования мощности равен 4.

Для равномерной загрузки питающей сети в трехфазных электротермических устройствах число секций кратно трем.

При включении трехфазных приемников в симметричную звезду или треугольник (рис. 2.6, б) мощность определяют по формуле

где Р ф – мощность нагревательных элементов одной фазы, Вт; U ф – фазное напряжение, В; I ф -ток фазы, А; cosφ-коэффициент мощности для нагревательных элементов, обладающих активным сопротивлением ( cos φ=1).

Для трехфазной симметричной системы справедливы следующие соотношения между фазными и линейными напряжениями и токами:

для симметричной звезды

для симметричного треугольника

При наличии трех секций, каждая из которых рассчитана на линейное напряжение U л , нагревательные элементы могут быть соединены в звезду или треугольник.

При соединении секции звездой мощность нагревательных элементов

где R 1H -сопротивление одного нагревателя, Ом.

При соединении секции треугольником мощность нагревательных элементов

Отношение мощностей РY и РΔ составит

Таким образом, переключением со звезды на треугольник можно получить общую мощность нагревательных элементов в соотношении 1:3.

Изменяя схему их включения, мощность можно регулировать ступенчато, что приемлемо в тех случаях, когда по условиям технологического процесса не требуется точное поддержание температуры.

При плавном регулировании мощности изменением напряжения, питающего электротермическую установку, можно более точно поддерживать температуру.

1. Расскажите об устройстве и области применения электрокалорифер-ных установок серий СФОО и СФОЦ.

2. Как регулируют тепловую мощность установки и температуру воздуха на выходе калорифера?

3. Почему калорифер устанавливают со стороны всасывающего патрубка вентилятора?

4. Какая максимальная температура воздуха допускается в отопительных калориферах?

5. Как изменятся потребляемая мощность и температура поверхности ТЭНов при остановке вентилятора?

6. Какая блокировка предусмотрена в схеме управления электрокалориферной установкой?

7. Объясните работу электрокалориферной установки в автоматичском режиме.

8. К каким последствиям может привести неработающий вентилятор?

9. Чем измеряют скорость воздуха в калорифере?

10. Как будет работать установка, если изменится фазировка в сети?

1. Как обнаружить неисправные ТЭНы в электрокалорифере?

12. В каких случаях выходят из строя предохранители ТЭНов?

13. Расскажите о преимуществах ТЭНов, сравнивая их с другими нагревателями.

14. По каким параметрам выбирают ТЭНы?

15. Какими свойствами должен обладать материал наполнителя?

16. От чего зависит удельная мощность ТЭНа?

17. Почему при включении водонагревателя без воды ТЭНы выходят из строя?

18. Структура условного обозначения ТЭНа.

19. Каким должно быть сопротивление изоляции ТЭНов в течение всего срока эксплуатации?

20. Что необходимо выполнить, если сопротивление изоляции ТЭНа не соответствует норме?

21. От чего зависят параметры трубки ТЭНа?

22. Достоинства и недостатки элементных водонагревателей.

23. Области использования элементных водонагревателей.

24. Расскажите об устройстве и принципе действия аккумуляционного водонагревателя.

25. Перечислите основные правила техники безопасности при использовании элементных водонагревателей и особенности их эксплуатации.

26. Где устанавливаются датчики контроля температуры воды водонагревателей?

27. Перечислите c.-х. технологические процессы, выполнение которых связано с использованием электроводонагревателей.

28. Каковы преимущества электроводонагревателей перед огневыми водонагревателями?

29. В каких режимах могут работать электроводонагреватели?

30. Чем отличаются электродные водонагреватели от элементных?

31. Расскажите об устройстве и принципе работы электродного нагревателя.

32. Почему в электродных водонагревателях ограничиваются плотность тока на электродах и напряжённость поля между ними?

33. Когда на корпусе электродного водонагревателя появляется наибольший потенциал по отношению к земле?

34. Как находят удельное электрическое сопротивление воды опытным путём?

35. Как регулируется мощность в электродном водонагревателе?

36. От каких параметров зависит КПД электродного нагревателя?

37. Назовите преимущества и недостатки электродного водонагревателя с системой автоматического регулирования постоянной мощности нагрева по сравнению с другими электродными нагревателями.

38. Принцип действия электродного водонагревателя с системой автоматического регулирования постоянной мощности нагрева.

39. Где применяется электродный нагрев?

40. Назовите типы электродных систем.

41. Каким недостатком обладает установка с изменением напряже-ния на электродной системе?

42. Какие установки являются наиболее перспективными?

43. Принцип действия саморегулирующихся нагревательных устройств.

© ФГОУ ВПО Красноярский государственный аграрный университет, 2006
© Центр дистанционного обучения КрасГАУ, 2006

Электрический ток в различных средах – основные понятия, формулы и определения с примерами

Содержание:

Электрический ток в различных средах:

При изучении электрических явлений необходимо знать, возможно ли существование электрического тока в рассматриваемом веществе, поскольку все вещества делят на группы по их электрическим свойствам: проводники, полупроводники, диэлектрики. Чем эти группы веществ отличаются друг от друга? Как они проводят электрический ток?

Проводниками электрического тока могут быть вещества и в твёрдом, и в жидком, и в газообразном состояниях. Изучая данную тему, мы ответим на следующие вопросы: какие частицы являются носителями электрического заряда в данной среде? Как зависит сила тока от напряжения? Как зависит электрическая проводимость среды от температуры, излучения и других воздействий? Каково техническое применение электрического тока в различных средах?

Электрический ток в металлах

Сверхпроводимость:

Типичными представителями класса проводников являются металлы. В металлических проводниках носители электрического заряда — свободные электроны. Под действием внешнего электрического поля свободные электроны упорядоченно движутся, создавая электрический ток (рис. 127).

Природа электрического тока в металлах. Электронная проводимость металлов была впервые экспериментально подтверждена немецким физиком

К.Рикке в 1901 г. Суть опыта заключалась в следующем: через проводник, состоявший из трёх отполированных и плотно прижатых друг к другу цилиндров — двух медных и одного алюминиевого (рис. 128), в течение года проходил ток одного и того же направления. За это время через проводник прошёл заряд более 3,5 МКл. После завершения опыта взвешивание показало, что массы цилиндров остались неизменными. Это явилось экспериментальным доказательством того, что перенос заряда при прохождении тока в металлах не сопровождается химическими процессами и переносом вещества, а осуществляется частицами, которые являются общими для всех металлов, т. е. электронами.

Убедительное доказательство электронной природы тока в металлах было получено в опытах с проявлением инерции электронов. Идея таких опытов и первые результаты (1913 г.) принадлежат русским физикам Л. И. Мандельштаму и Н. Д. Папалекси.

В 1916 г. американский физик Р. Толмен и шотландский физик Т. Стюарт усовершенствовали методику этих опытов и выполнили количественные измерения, неопровержимо доказавшие, что ток в металлических проводниках обусловлен движением свободных электронов.

В этих опытах катушку с большим числом витков тонкой проволоки подключали к гальванометру и приводили в быстрое вращение вокруг своей оси (рис. 129). При резком торможении катушки в цепи возникал кратковременный ток, обусловленный инерцией носителей заряда. По направлению отклонения стрелки гальванометра было установлено, что электрический ток создают отрицательно заряженные частицы. При этом экспериментально полученное отношение заряда каждой из этих частиц к её массе(удельный заряд) близко к удельному заряду электрона, полученному из других опытов. Так было экспериментально доказано, что носителями свободных зарядов в металлах являются электроны.

Вещества, обладающие электронной проводимостью, называют проводниками первого рода.

В соответствии с классической электронной теорией проводимости металлов, созданной немецким физиком П.Друде и голландским физиком Г. Лоренцем в 1900— 1904 гг., металлический проводник можно рассматривать как физическую систему, состоящую из свободных электронов и положительно заряженных ионов, колеблющихся около положений равновесия (рис. 130).

Появление свободных электронов при образовании металлического кристалла из нейтральных атомов можно упрощённо объяснить следующим образом. Электроны, находящиеся на внешних оболочках атомов, слабо связаны со своими ядрами. При образовании кристалла атомы сближаются на расстояние r

0,1 нм и электроны начинают взаимодействовать не только со своими ядрами, но и с ядрами соседних атомов. В результате этого их взаимодействие с собственными ядрами значительно ослабевает, вследствие чего они теряют с ними связь и могут двигаться по всему кристаллу в любом направлении как свободные частицы. Атомы превращаются при этом в положительно заряженные ионы. В пространстве между ионами хаотично движутся, подобно частицам идеального газа, свободные электроны. Поэтому для описания движения электронов используют модель «электронный газ» — совокупность свободных электронов в кристаллической решётке металла. На рисунке 131 пунктирной линией показана траектория движения одного из электронов.

В этой модели электроны, упорядоченное движение которых является током проводимости, рассматривают как материальные точки, модуль потенциальной энергии взаимодействия которых пренебрежимо мал по сравнению с их кинетической энергией. Считают, что движение электронов под действием электрического поля подчиняется законам классической механики, а их столкновения с ионами кристаллической решётки металла являются неупругими, т. е. при столкновениях электроны полностью передают ионам кинетическую энергию своего упорядоченного движения. В промежутках между столкновениями свободные электроны совершают хаотическое тепловое движетение и в то же время движутся упорядоченно и равноускоренно под воздействием электрического поля.

Модель электронного газа даёт возможность теоретически объяснить природу сопротивления и вывести закон Ома для участка цепи, не содержащего источника тока, на основе классической электронной теории проводимости металлов. Проанализируем упорядоченное движение электронов проводимости.

Пусть электрон движется с ускорением в направлении, противоположном направлению напряжённости электрического поля

(рис. 132): где – масса электрона, е — элементарный электрический заряд (модуль заряда электрона). Тогда модуль средней скорости его направленного движения где – усредненный промежуток времени между двумя последовательными столкновениями электрона с ионами кристаллической решётки.

Поскольку электрическое поле внутри однородного прямолинейного проводника с током однородное, то модуль напряженности этого поля где l — длина проводника, U — напряжение между его концами. Тогда модуль средней скорости направленного движения электронов пропорционален напряжению между концами проводника:

Сила тока в проводнике пропорциональна модулю средней скорости направленного движения электронов:

где q — модуль заряда электронов проводимости, время их прохождения по проводнику, N — количество электронов проводимости в проводнике, n — концентрация этих электронов, V=Sl — объём проводника.

Следовательно, сила тока пропорциональна напряжению между концами проводника:I

Зависимость сопротивления металлов от температуры

При изучении физики в 8 классе вы узнали, что сопротивление металлических проводников зависит от рода вещества (удельного сопротивления р) и его геометрических размеров (длины l и площади поперечного сечения S):

А зависит ли сопротивление от температуры проводника?

Проведём опыт. Соберём электрическую цепь, состоящую из источника тока, проволочной спирали и гальванометра (рис. 133). Опыт показывает, что при нагревании спирали показания гальванометра уменьшаются. Вывод очевиден: при увеличении температуры сопротивление металлов увеличивается.

Удельное сопротивление вещества металлического проводника зависит от концентрации свободных носителей заряда и числа их столкновений с ионами кристаллической решётки, совершающими колебательные движения около положений устойчивого равновесия.

В металлических проводниках концентрация свободных электронов практически постоянна для данного проводника и не зависит от температуры. Однако число столкновений свободных электронов с ионами кристаллической решётки с ростом температуры возрастает. Это приводит к возрастанию удельного сопротивления металлического проводника при повышении температуры.

При описании температурной зависимости удельного сопротивления проводника вводят температурный коэффициент сопротивления а, численно равный относительному приращению удельного сопротивления вещества проводника при приращении его температуры на 1 К:
(24.1)
где и р — удельные сопротивления вещества проводника соответственно при температуре =273 К (О °С) и данной температуре Т.

Из формулы (24.1) следует, что

где — приращение абсолютной температуры проводника, которое совпадает с приращением температуры по шкале Цельсия Таким образом, удельное сопротивление вещества металлического проводника возрастает с увеличением температуры.

График этой зависимости представлен на рисунке 134.

Поскольку сопротивление проводника то, не учитывая незначительную температурную зависимость отношения можно записать:

где и R — сопротивления проводника соответственно при температуре =273 К (О °С) и данной температуре Т(t).

Для металлических проводников эти формулы применимы при температурах Т > 140 К. У всех металлов при повышении температуры их сопротивление возрастает, т. е. температурный коэффициент сопротивления а — величина положительная. Для большинства металлов (но не сплавов) при температурах от 0 для 100 °С среднее значение температурного коэффициента сопротивления

Зависимость сопротивления металлов от температуры используют в специальных приборах—термометрах сопротивления (рис. 135).

Широкое распространение получили термометры сопротивления из чистых металлов, особенно платины и меди, которые конструктивно представляют собой металлическую проволоку, намотанную на жёсткий каркас (из кварца, фарфора, слюды), заключённый в защитную оболочку (из металла, кварца, фарфора, стекла) (рис. 136). Платиновые термометры сопротивления применяют для измерения температуры в пределах от —263 до 1064 °С, медные — от —50 до 180 °С.

Если при изготовлении электроизмерительных приборов требуются проводники, сопротивление которых должно как можно меньше зависеть от температуры окружающей среды, то используют специальные сплавы — константен и манганин. Температурный коэффициент сопротивления у константана в 820 раз, а у манганина в 510 раз меньше, чем у серебра.

Сверхпроводимость:

При очень низких температурах сопротивление некоторых металлических проводников резко (скачком) уменьшается до нуля. Впервые это обнаружил в 1911 г. голландский физик Г. Камерлинг-Оннес (1853—1926). Он экспериментально установил, что при температуре 4,12К (по современным измерениям 4,15 К) электрическое сопротивление ртути исчезает. Позже многочисленными опытами было установлено, что это явление характерно для многих проводников. Температуру, при которой электрическое сопротивление проводника обращается в нуль, называют критической температурой (). Состояние проводника при этом называют сверхпроводимостью, а сам проводник — сверхпроводником. Каждый сверхпроводящий металл характеризуется своей критической температурой. Явление сверхпроводимости свойственно не только некоторым металлам, но и сплавам, полупроводникам и полимерам.

Зависимость сопротивления R сверхпроводника от абсолютной температуры Т при низких температурах представлена на рисунке 137, график b для металла, не являющегося сверхпроводником, — на рисунке 137, график а.

Если в сверхпроводнике создать электрический ток, то он будет существовать в нём неограниченно долго. При этом для поддержания тока нет необходимости в источнике тока. Это указывает на перспективу использования явления сверхпроводимости при передаче электрической энергии.

Сверхпроводящие соединения нашли применение в качестве материала обмоток электромагнитов для создания сильных магнитных полей в установках управляемого термоядерного синтеза, а также в мощных электрических двигателях и генераторах. Разрабатывают проекты сверхпроводящих электронно-вычислительных машин. Уже созданы компактные интегральные схемы на сверхпроводниках, обладающие рядом преимуществ по сравнению с имеющимися аналогами. Возможности применения явления сверхпроводимости увеличатся, если будут найдены материалы, обладающие этим свойством при не очень низких температурах.

1. Электрический ток в металлах представляет собой упорядоченное движение свободных электронов.
2. Металлический проводник можно рассматривать как физическую систему, состоящую из свободных электронов и положительно заряженных ионов.
3. Температурный коэффициент сопротивления численно равен относительному приращению удельного сопротивления проводника при приращении его температуры на 1 К:
4. Сопротивление металлического проводника возрастает с увеличением температуры:
5. Состояние, при котором электрическое сопротивление проводника обращается в нуль, называют сверхпроводимостью, а сам проводник — сверхпроводником.

Пример №1

Определите сопротивление алюминиевого проводника при температуре =90 °С, если при температуре = 20 °С его сопротивление = 4,0 Ом. Температурный коэффициент сопротивления алюминия а = 4,2
Дано:
= 90 °с
= 20 ‘ с
= 4,0 Ом
а = 4,2
– ?

Решение. Согласно формуле (24.2) сопротивления проводника при температурах соответственно

Решая систему уравнений, получим
Поскольку , где = 0,0 °С, то = 90 К, = 20 К.

Ответ: = 5,1 Ом.

Электрический ток в электролитах

Законы электролиза Фарадея:

При изучении предыдущего параграфа вы узнали, что в металлах перенос заряда не сопровождается переносом вещества, а носителями свободных зарядов являются электроны. Но существует класс проводников, прохождение электрического тока в которых всегда сопровождается химическими изменениями и переносом вещества. Такими проводниками являются растворы многих солей, кислот и щелочей, а также расплавы солей и оксидов металлов.

Природа электрического тока в электролитах

Вещества, растворы или расплавы которых проводят электрический ток, называют электролитами.

Соберём электрическую цепь, состоящую из источника тока, лампы накаливания и ванны с дистиллированной водой, в которой находятся два угольных электрода (рис. 138). При замыкании цепи лампа светиться не будет, следовательно, дистиллированная вода не проводит электрический ток. Повторим опыт, добавив в дистиллированную воду сахар. Лампа не светится и в этом случае. Раствор сахара в воде также не является проводником. А теперь добавим в дистиллированную воду небольшое количество соли, например, хлорида меди(II) . В цепи проходит электрический ток, о чём наглядно свидетельствует свечение лампы. Следовательно, раствор соли в воде является проводником электрического тока, т. е. при растворении хлорида меди(II) в дистиллированной воде появились свободные носители электрического заряда.

Изучая химию, вы узнали, что при растворении солей, кислот и щелочей в воде происходит электролитическая диссоциация, т. е. распад молекул электролита на ионы.

В проведённом опыте хлорид меди(II) в водном растворе диссоциирует на положительно заряженные ионы меди и отрицательно заряженные ионы хлора

Ионы в растворе при отсутствии электрического поля движутся хаотически. Под действием внешнего электрического поля на хаотическое движение частиц накладывается направленное движение положительно и отрицательно заряженных ионов (рис. 139). При этом положительно заряженные ионы движутся к электроду, подключённому к отрицательному полюсу источника тока (катоду), отрицательно заряженные ионы — к электроду, подключённому к положительному полюсу источника тока (аноду). На аноде будет происходить процесс окисления ионов до атомов хлора:

Нейтральные атомы хлора образуют молекулы хлора, который выделяется на аноде:

На катоде будет происходить процесс восстановления ионов до нейтральных атомов и осаждение металлической меди:

Таким образом, свободными носителями электрического заряда в электролитах являются положительно и отрицательно заряженные ионы, образующиеся в результате электролитической диссоциации, а проводимость электролитов в отличие от проводимости металлов является ионной. Электролиты относят к проводникам второго рода.

Сопротивление электролитов

Для изучения сопротивления электролитов соберём электрическую цепь, состоящую из источника тока, электролитической ванны и амперметра (рис. 140).

Поддерживая постоянное напряжение между электродами, приблизим их друг к другу. Амперметр покажет увеличение силы тока в цепи. Таким образом, при уменьшении расстояния между электродами сопротивление электролита уменьшается.

Поместим один из электродов в электролит так, чтобы часть его выступала над поверхностью раствора. Показание амперметра уменьшится. Отсюда следует, что при уменьшении площади перекрытия электродов в электролите его сопротивление увеличивается.

Нагреем электролит на электрической плитке. Амперметр покажет увеличение силы тока в цепи. Следовательно, при увеличении температуры сопротивление электролита уменьшается.

Будем увеличивать напряжение между электродами в 2, 3, . n раз. Показания амперметра увеличиваются, причём сила тока в электролите изменяется прямо пропорционально напряжению, т. е. для электролитов выполня-
ется закон Ома
Следует отметить, что при прохождении электрического тока через электролит проявляется тепловое действие тока, т. е. выполняется закон Джоуля —Ленца

Законы электролиза Фарадея

При изучении химии вы узнали, что процесс выделения на электроде вещества, связанный с окислительно-восстановительными реакциями, протекающими при прохождении электрического тока через растворы (расплавы) электролитов, называют электролизом.

Первый закон электролиза был экспериментально установлен Фарадеем в 1833 г.

Масса т вещества, выделившегося на электроде, прямо пропорциональна электрическому заряду q, прошедшему через электролит:
(25.1)

В формуле (25.1) коэффициент пропорциональности k называют электрохимическим эквивалентом данного вещества. Он численно равен массе вещества, выделившегося на одном из электродов при прохождении через электролит единичного электрического заряда. В СИ электрохимический эквивалент измеряют в килограммах на кулон Значения электрохимических эквивалентов некоторых веществ приведены в таблице 2.

Таблица 2 — Электрохимический эквивалент вещества

Поскольку q =It, где I—сила тока, t — промежуток времени прохождения тока через электролит, то

Массу вещества, выделившегося на электроде при прохождении через электролит электрического заряда q, можно определить, зная массу одного иона и число N осевших на этом электроде ионов:

где М — молярная масса вещества, — постоянная Авогадро.

Тогда число ионов
С другой стороны, число ионов, нейтрализовавшихся на электроде:

где — заряд одного иона. Так как заряд иона кратен элементарному заряду е, то = en, где n — валентность иона.
Значит, и
(25.2)
Сравнивая формулы (25.2) и (25.1), получим

(25.3)
Так как и е — универсальные постоянные, то физическую величину
в честь М. Фарадея назвали постоянной Фарадея.

Таким образом, формулу (25.3) для определения электрохимического эквивалента вещества можно записать в виде

Отношение называют химическим эквивалентом вещества. Тогда

Фарадеем был сформулирован закон, называемый вторым законом электролиза, который устанавливает связь между электрохимическим и химическим эквивалентами вещества: электрохимические эквиваленты веществ пропорциональны их химическим эквивалентам:

Так както первый закон электролиза можно записать:
(25.4)

Выражение (25.4) называют объединённым законом Фарадея для электролиза. Согласно этому закону масса вещества, выделившегося на каждом из электродов, пропорциональна молярной массе ионов этого вещества, силе тока и времени его прохождения через электролит и обратно пропорциональна валентности ионов вещества.

Используя закон электролиза, можно определить значение заряда электрона в школьной лаборатории. Допустим, через электролит в течение промежутка времени t проходил электрический ток силой I (можно измерить амперметром). При этом на электроде выделилось вещество массой m (можно измерить, взвесив электрод до и после прохождения тока через электролит). Тогда модуль заряда электрона определяют по формуле

Техническое применение электролиза

Электролиз нашёл различные применения в промышленности. Рассмотрим некоторые из них.

1. Нанесение защитных и декоративных покрытий на металлические изделия (гальваностегия).

Для предохранения металлов от окисления, а также для придания изделиям прочности и улучшения внешнего вида их покрывают тонким слоем благородных металлов (золотом, серебром) или мало окисляющимися металлами (хромом, никелем). Предмет, подлежащий гальваническому покрытию, например ложку (рис. 141), погружают в качестве катода в электролитическую ванну. Электролитом является раствор соли металла, которым осуществляется покрытие. Анодом служит пластина из того же металла. Пропуская через электролитическую ванну в течение определённого промежутка времени электрический ток, ложку покрывают слоем металла нужной толщины. Для наиболее равномерного покрытия ложки её нужно поместить между двумя или более анодными пластинами.

После покрытия ложку вынимают из ванны, сушат и полируют.

2. Производство металлических копий с рельефных моделей (гальванопластика).

Для получения копий предметов (монет, медалей, барельефов и т. п.) делают слепки из какого-нибудь пластичного материала (например, воска). Для придания слепку электропроводности его покрывают графитовой пылью, погружают в ванну в качестве катода и получают на нём слой металла нужной толщины (рис. 142). Затем путём нагревания удаляют воск.

Процесс гальванопластики был разработан в 1836 г. русским академиком Б. С. Якоби (1801 — 1874).

3. Получение металлов из расплавленных руд и их очистка, электрохимическая обработка металлов.

Процесс очистки металлов происходит в электролитической ванне. Анодом служит металл, подлежащий очистке, катодом — тонкая пластина из чистого металла, а электролитом — раствор соли данного металла. Например, пластину из неочищенной меди помещают в качестве анода в ванну с раствором медного купороса, где катодом служит лист чистой меди (рис. 143). В загрязнённых металлах могут содержаться ценные примеси. Так, в меди часто содержатся никель и серебро. При пропускании через ванну электрического тока медь с анода переходит в раствор, из раствора на катоде выделяется чистая медь, а примеси выпадают в виде осадка или переходят в раствор.

1. Электролитами называют вещества, растворы или расплавы которых проводят электрический ток.
2. Электрический ток в электролитах представляет собой упорядоченное движение ионов, образующихся в результате электролитической диссоциации растворённого вещества. Проводимость электролитов является ионной.
3. Процесс выделения на электроде вещества, связанный с окислительно-восстановительными реакциями, протекающими при прохождении электрического тока через растворы (расплавы) электролитов, называют электролизом.
4. Масса вещества, выделившегося на электроде, прямо пропорциональна электрическому заряду, прошедшему через электролит: m = kq.

Пример №2

Через электролитическую ванну, содержащую раствор серной кислоты, в течение промежутка времени t= 60,0 мин проходил ток силой I=1,20 А. Выделившийся на катоде газообразный водород собран в сосуде вместимостью V=350 см3. Определите температуру водорода, если его давление р = 150 кПа.

Решение. Для нахождения температуры водорода воспользуемся уравнением Клапейрона— Менделеева

где М — молярная масса водорода (), R — универсальная газовая постоянная ()Следовательно,

Массу водорода, выделившегося на катоде, найдём, используя закон электролиза: m=klt, где k — электрохимический эквивалент водорода

С учётом этого температуру водорода определим по формуле

Ответ: Т=281 К

Пример №3

Хромирование тонкой прямоугольной пластинки длиной а = 3,0 см и шириной b = 5,0 см в большой гальванической ванне осуществляется в течение промежутка времени t= 2,0 ч при силе тока I= 1,5 А. Определите толщину образовавшегося на пластинке слоя хрома. Плотность хрома

h — ?

Решение. Для определения массы хрома, осаждённого на двух сторонах пластинки, воспользуемся законом Фарадея где

С другой стороны, массу хрома можно выразить через плотность р и объём V: , где h — толщина образовавшегося на пластинке слоя хрома.

С учётом этого откуда толщина слоя хрома

Ответ: h = 90 мкм.

Электрический ток в газах

Самостоятельный и несамостоятельный разряды:

Газы при нормальных условиях не проводят электрический ток, т. е. являются диэлектриками. Это обусловлено тем, что газы состоят из нейтральных атомов (молекул). Однако при определённых условиях газы, в том числе и воздух, становятся проводниками. Выясним, при каких условиях это возможно.

Природа электрического тока в газах

Проведём опыт, позволяющий продемонстрировать изменение электрической проводимости газа (воздуха). Два металлических диска, заряженные разноимёнными зарядами и расположенные на некотором расстоянии друг от друга, соединим с электрометром (рис. 144). Стрелка электрометра при этом отклонится на некоторый угол. Электрометр не разряжается, значит, при небольшой разности потенциалов между дисками воздух не проводит электрический ток.

Повторим опыт, нагревая пламенем (спиртовки, свечи) воздушный промежуток между дисками. Электрометр разряжается, т. е. через воздух проходит электрический ток (рис. 145). Вывод очевиден: в воздушном промежутке между дисками появились свободные носители электрического заряда.

Если убрать пламя, то электрический ток исчезнет, т. е. воздух между дисками опять станет диэлектриком.

Объясним результаты рассмотренного опыта. Нагревание газа пламенем приводит к образованию свободных электронов и положительно заряженных ионов. Процесс, в результате которого некоторые атомы (молекулы) газа теряют электроны и превращаются в положительно заряженные ионы, называют ионизацией газа. Минимальное значение энергии, необходимой для отрыва электрона от атома (молекулы), называют энергией ионизации атома (молекулы). Наряду с ионизацией может происходить присоединение образовавшихся при отрыве электронов к нейтральным атомам (молекулам) газа. Это приводит к образованию отрицательно заряженных ионов.

Под действием электрического поля в газе возникает направленное движение положительно заряженных ионов к отрицательному электроду (катоду) и направленное движение электронов и отрицательно заряженных ионов к положительному электроду (аноду). Таким образом, носителями электрического заряда в ионизированных газах являются положительно и отрицательно заряженные ионы и свободные электроны. Следовательно, проводимость газов — ионно-электронная. Прохождение электрического тока через ионизированный газ называют газовым разрядом.

После прекращения внешнего воздействия (в данном случае, нагревания пламенем) электрический ток в газе прекращается. Это обусловлено тем, что при столкновении положительно заряженного иона с электроном они образуют нейтральный атом (молекулу) газа. Ионы разных знаков при столкновении также превращаются в нейтральные атомы (молекулы). Эти процессы называют рекомбинацией ионов. При рекомбинации освобождается энергия, равная энергии, затраченной на ионизацию.

Таким образом, для того чтобы в газе появились свободные носители электрического заряда, его атомы (молекулы) необходимо ионизировать. Это можно осуществить нагреванием газа до высокой температуры, воздействием на газ ультрафиолетовым, рентгеновским, радиоактивным излучениями и др.

Внешние воздействия, в результате которых происходит ионизация, называют ионизаторами. Разряд, возникающий в результате ионизации газа под действием внешнего ионизатора, называют несамостоятельным.

Вольт-амперная характеристика газового разряда

Для изучения разряда в газе удобно использовать стеклянную трубку с двумя электродами. Рассмотрим зависимость силы тока в газе от напряжения, приложенного к электродам трубки, — вольт-амперную характеристику газового разряда (рис. 146).

В результате действия внешнего ионизатора происходит ионизация газа в пространстве между электродами. Одновременно с этим происходит и обратный процесс — превращение ионов в нейтральные атомы (молекулы). При небольшом напряжении между электродами незначительное количество образовавшихся ионов и электронов достигает электродов, создавая электрический ток. Большинство ионов рекомбинируют, не успевая достигнуть электродов. При увеличении напряжения между электродами возрастает количество заряженных частиц, достигших электродов, т. е. сила тока увеличивается. При этом сила тока прямо пропорциональна приложенному напряжению, т. е. выполняется закон Ома (участок графика АВ).

При дальнейшем повышении напряжения пропорциональность нарушается (участок графика ВС). Начиная с некоторого значения напряжения (точка С) все носители электрического заряда, образовавшиеся под действием ионизатора, достигают электродов, не успев рекомбинировать. При этом сила тока принимает максимальное значение и не зависит от напряжения (участок графика CD). Электрический ток, сила которого не зависит от напряжения, называют током насыщения.

При достаточно высоком напряжении свободные электроны под действием электрического поля ускоряются и приобретают кинетическую энергию, достаточную для ионизации атомов (молекул) газа при соударении с ними. Процесс отрыва от атома (молекулы) газа одного или нескольких электронов, вызванный столкновением с этими атомами (молекулами) свободных электронов, называют ионизацией электронным ударом. Возникшие в результате ударной ионизации свободные электроны ускоряются электрическим полем и вызывают ионизацию новых частиц. Такие свободные электроны являются вторичным ионизатором. Это ведёт к лавинообразному нарастанию числа вторичных свободных электронов и положительно заряженных ионов (рис. 147), а значит, и к увеличению силы разрядного тока. Однако сам разряд всё ещё остаётся несамостоятельным, так как после прекращения действия внешнего ионизатора он продолжается только до тех пор, пока отрицательно заряженные ионы и все электроны (первичные и вторичные) не достигнут анода, а положительно заряженные ионы — катода. Несамостоятельному лавинному разряду в газе соответствует участок графика DE на рисунке 146.

Однако в ряде случаев газовый разряд может существовать и после прекращения действия внешнего ионизатора. В этом случае имеющееся между электродами сильное электрическое поле является причиной сохранения газового разряда, который называют самостоятельным.

Для возникновения самостоятельного разряда недостаточно наличия одного лишь процесса ударной ионизации. Для поддержания разряда необходимо, чтобы в газе постоянно возникали носители электрического заряда без действия внешнего ионизатора. При движении положительно заряженных ионов к катоду их кинетическая энергия под действием поля увеличивается. Если энергия ионов достаточно велика, то при ударе о катод они могут выбивать с поверхности катода электроны. Этот процесс называют вторичной электронной эмиссией («эмиссия» означает «испускание»). При бомбардировке положительно заряженными ионами катода происходит его нагревание. При высокой температуре катода с его поверхности происходит испускание электронов. Такой процесс называют термоэлектронной эмиссией. В результате этих процессов в газе создаётся значительное число свободных электронов. В зависимости от давления газа, его температуры и напряжённости электрического поля вторичная электронная эмиссия и термоэлектронная эмиссия могут происходить одновременно (участок графика ЕК на рисунке 146). Таким образом, в отсутствие внешнего ионизатора самостоятельный разряд будет поддерживаться за счёт вторичной электронной эмиссии и (или) термоэлектронной эмиссии с поверхности катода.

Виды самостоятельного газового разряда и их применение

В зависимости от напряжённости электрического поля, давления газа, формы и вещества электродов различают следующие виды самостоятельного газового разряда: тлеющий, дуговой, коронный и искровой.

Тлеющий разряд характеризуется небольшой силой тока (десятки миллиампер), относительно высоким напряжением (десятки и сотни вольт), низким давлением газа (десятые доли миллиметра ртутного столба). Тлеющий разряд широко используют в различных газосветных трубках (рис. 148), применяемых для световой рекламы и декораций, лампах дневного света (рис. 149), неоновых лампах.

Дуговой разряд представляет собой столб ярко светящегося газа (рис. 150). Он характеризуется большой силой тока (десятки и сотни ампер) и сравнительно небольшим напряжением (несколько десятков вольт). Дуговой разряд является мощным источником света. Его используют в осветительных установках, для сварки и резки металлов (рис. 151), электролиза расплавов, в промышленных электропечах для плавки стали и др.

В 1802 г. профессор физики Петербургской медико-химической академии В. В. Петров получил электрическую дугу. Он установил, что если присоединить к полюсам большой электрической батареи два кусочка древесного угля, привести их в соприкосновение, а затем слегка раздвинуть на небольшое расстояние, то между концами углей образуется яркое пламя, а сами концы углей раскаляются добела, испуская ослепительный свет (электрическая дуга). Впервые электрическая дуга была применена в 1876 г. русским инженером П. Н. Яблочковым для уличного освещения.

Коронный разряд возникает вблизи заострённой части проводника при атмосферном давлении под действием сильно неоднородного электрического поля. Он сопровождается слабым свечением, напоминающим корону (рис. 152), и характерным потрескиванием.

Коронный разряд используют в электрофильтрах для очистки промышленных газов от твёрдых и жидких примесей. Однако возникновение коронного разряда вокруг высоковольтных линий электропередачи нежелательно, так как приводит к потерям электрической энергии.

Искровой разряд наблюдают при высоком напряжении (рис. 153). Он сопровождается ярким свечением газа, звуковым эффектом, который создаётся резким повышением давления. Примером искрового разряда в природе служит молния (рис. 154).

Перед появлением молнии напряжение между облаком и поверхностью Земли достигает В. Сила тока в молнии составляет А, продолжительность разряда молнии t

с, диаметр светящегося канала d

10—20 см. Извилистый вид молнии объясняется тем, что электрический разряд проходит через участки воздуха, имеющие наименьшее сопротивление. А такие участки расположены в воздухе случайным образом.

Плазма

При достаточно высоких температурах или под действием электромагнитного излучения происходит ионизация газа. Полностью или частично ионизированный газ, в котором концентрация положительных и отрицательных зарядов практически совпадает, называют плазмой. Плазма — самое распространённое состояние вещества во Вселенной (рис. 155).

В зависимости от степени ионизации различают частично ионизированную и полностью ионизированную плазму. В зависимости от скорости хаотического движения заряженных частиц различают холодную (Т К) плазму. Примером холодной плазмы является плазма, образующаяся при всех видах электрического разряда в газах. Звёзды представляют собой гигантские сгустки горячей плазмы. Плазма заполняет космическое пространство между звёздами и галактиками. Плотность плазмы в космическом пространстве очень мала, в среднем одна частица на кубический сантиметр. В отличие от горячей плазмы звёзд температура межзвёздной плазмы является очень низкой. Верхний слой атмосферы Земли также представляет собой слабо ионизированную плазму. Причиной ионизации является ультрафиолетовое и рентгеновское излучения Солнца и других звёзд, быстрые заряженные частицы и др.

Независимо от способа получения плазма в целом является электрически нейтральной, так как содержит равное число положительных и отрицательных зарядов. Проводимость плазмы растёт с увеличением числа ионизированных атомов (молекул). Полностью ионизированная плазма по своей проводимости приближается к сверхпроводникам.

1. Носителями электрического заряда в ионизированных газах являются положительно и отрицательно заряженные ионы и свободные электроны.
2. Прохождение электрического тока через ионизированный газ называют газовым разрядом.
3. Разряд, возникающий в результате ионизации газа под действием внешнего ионизатора, называют несамостоятельным. Разряд, происходящий в результате ионизации газа после прекращения действия внешнего ионизатора, называют самостоятельным.
4. Ионизация электронным ударом — процесс отрыва от атома (молекулы) газа одного или нескольких электронов, вызванный столкновением с атомами (молекулами) газа электронов.
5. Плазма — полностью или частично ионизированный газ, в котором концентрация положительных и отрицательных зарядов одинакова.

Электрический ток в полупроводниках. Собственная проводимость полупроводников

Полупроводники — широкий класс как неорганических, так и органических веществ в твёрдом или жидком состоянии, удельное сопротивление которых находится в пределах от Ом*м (при Т = 300 К) и существенно убывает при увеличении температуры, а также изменяется при изменении освещения и введении сравнительно небольшого количества примесей. К полупроводникам относят ряд химических элементов (бор, углерод, кремний, германий, фосфор, мышьяк, сурьму, серу, селен, теллур и др.), множество оксидов и сульфидов металлов, а также других химических соединений.

Зависимость сопротивления полупроводников от температуры и освещённости

Изучить свойства полупроводников можно на опытах. Соберём электрическую цепь, состоящую из источника тока, полупроводника и миллиамперметра (рис. 156). Опыт показывает, что при нагревании полупроводника сила тока в цепи возрастает. Возрастание силы тока обусловлено тем, что при увеличении температуры сопротивление полу-

проводника уменьшается. Причём в отличие от металлов зависимость сопротивления полупроводников от температуры является нелинейной. С понижением температуры сопротивление металлов уменьшается, а полупроводников возрастает и вблизи абсолютного нуля становится таким же большим, как у диэлектриков. График зависимости удельного сопротивления от температуры чистого (не имеющего примесей) полупроводника приведён на рисунке 157.

Проведём ещё один опыт. Изменяя освещённость поверхности полупроводника, наблюдаем изменение показаний миллиамперметра (рис. 158). Результаты наблюдений означают, что при освещении поверхности полупроводника его сопротивление уменьшается.

Таким образом, уменьшить сопротивление полупроводника можно, либо нагревая его, либо воздействуя электромагнитным излучением, например, освещая его поверхность.

Природа электрического тока в полупроводниках

Экспериментально установлено, что при прохождении электрического тока в полупроводниках, как и в металлах, никаких химических изменений не происходит, т. е. перенос заряда при прохождении тока не сопровождается переносом вещества. Это свидетельствует о том, что свободными носителями электрического заряда в полупроводниках, как и в металлах, являются электроны.

Рассмотрим механизм проводимости полупроводников на примере кристалла германия Ge, валентность атомов которого равна четырём.

Атомы германия на внешней оболочке имеют четыре сравнительно слабо связанных с ядром валентных электрона. При этом каждый атом кристалла связан с четырьмя соседними атомами ковалентными связями. Два соседних атома объединяют два своих валентных электрона (по одному от каждого атома), которые образуют электронную пару. Поэтому все валентные электроны атома германия участвуют в образовании ковалентных связей. На рисунке 159 изображена плоская схема пространственной решётки кристалла германия. При температурах, близких к абсолютному нулю, ковалентные связи германия достаточно прочны, поэтому свободные электроны отсутствуют, и германий является диэлектриком.

Для того чтобы разорвать ковалентную связь и сделать электрон свободным, кристаллу германия необходимо сообщить некоторую энергию, например, нагревая кристалл или облучая его поверхность. При этом часть электронов получает энергию, достаточную для того, чтобы покинуть атомы и стать свободными.

Нейтральный атом, которому принадлежал освободившийся электрон, становится положительно заряженным ионом, а в ковалентных связях образуется вакантное место с недостающим электроном. Его называют дыркой (рис. 160).

Одновременно с процессом возникновения свободных электронов и дырок происходит процесс, при котором один из электронов (не свободный, а обеспечивающий ковалентную связь) перескакивает на место образовавшейся дырки и восстанавливает ковалентную связь. При этом положение дырки меняется, что можно моделировать как её перемещение. Таким образом, при отсутствии внешнего электрического поля в кристалле полупроводника наблюдается беспорядочное перемещение свободных электронов и дырок, концентрации которых в чистом полупроводнике одинаковые.

Дырки считают подвижными носителями положительного заряда, который равен модулю заряда электрона.

Дырочная проводимость в действительности обусловлена «эстафетным» перемещением по вакансиям от одного атома кристалла полупроводника к другому электронов, которые осуществляют ковалентную связь. Дырок как положительных зарядов, существующих реально, в действительности нет. Тем не менее представление о них является хорошей физической моделью, которая даёт возможность рассматривать электрический ток в полупроводниках на основе законов физики.

При наличии внешнего электрического поля на хаотическое движение свободных электронов и дырок накладывается их упорядоченное движение, т. е. возникает электрический ток. Причём движение свободных электронов происходит в направлении, противоположном направлению напряжённости внешнего электрического поля, а движение дырок совпадает с направлением напряжённости поля (рис. 161).

Проводимость, обусловленная движением свободных электронов и дырок в чистом полупроводнике, называют собственной проводимостью полупроводника.

При сообщении полупроводнику энергии концентрация свободных электронов, а следовательно, и дырок возрастает, так как увеличивается число разрывов ковалентных связей. Этим и объясняется уменьшение сопротивления полупроводника при его нагревании и облучении.

Техническое применение полупроводников

Приборы, работа которых основана на свойстве полупроводников изменять своё сопротивление при изменении температуры, называют термисторами или терморезисторами.

Терморезисторы (рис. 162) используют для защиты телефонных станций и линий от токовых перегрузок, для пускозащитных реле компрессоров холодильников; поджига люминесцентных ламп; для подогрева дизельного топлива; в различных электронагревательных устройствах: нагревательных решётках тепловентиляторов, сушилках для обуви.

Приборы, работа которых основана на свойстве полупроводников изменять своё сопротивление при изменении освещённости их поверхности, называют фоторезисторами или фотосопротивлениями (рис. 163). Их используют для регистрации слабых потоков света, при сортировке и счёте готовой продукции, для контроля качества и готовности самых различных деталей; в полиграфической промышленности для обнаружения обрывов бумажной ленты, контроля количества листов бумаги, подаваемых в печатную машину; в медицине, сельском хозяйстве и других областях.

1. Электрический ток в полупроводниках представляет собой упорядоченное движение свободных электронов и дырок.
2. Проводимость, обусловленную движением свободных электронов и дырок в чистом полупроводнике, называют собственной проводимостью полупроводника.
3. Сопротивление полупроводников уменьшается при увеличении температуры и воздействии электромагнитного излучения.

Примесная проводимость полупроводников

Электронно-дырочный переход:

Изменить свойства полупроводников можно не только нагреванием или воздействием электромагнитного излучения, но и добавлением в чистый полупроводник примесей. Тогда в полупроводнике наряду с собственной проводимостью возникает примесная проводимость.

Примесная проводимость полупроводников

Проводимость, обусловленную наличием примесей в полупроводнике, называют примесной проводимостью полупроводника.
Рассмотрим механизм этой проводимости на примере кристалла германия Ge, содержащего примесь атомов мышьяка As, валентность которых равна пяти.

Четыре валентных электрона атома мышьяка образуют ковалентные связи с соседними атомами германия (рис. 164). Пятые электроны атомов мышьяка не задействованы в образовании ковалентных связей и могут свободно перемещаться, почти как электроны в металлическом проводнике.

Проводимость такого кристалла будет преимущественно электронной. Дырки, образующиеся в результате разрыва отдельных ковалентных связей между атомами германия, являются неосновными носителями электрического заряда, так как их концентрация мала по сравнению с концентрацией свободных электронов. Такие полупроводники называют электронными полупроводниками или полупроводниками n-типа (от лат. negativ — отрицательный).

Примеси, поставляющие в полупроводники свободные электроны без возникновения равного им количества дырок, называют донорными (отдающими). Удельное сопротивление полупроводника с содержанием таких примесей резко уменьшается и может приближаться к удельному сопротивлению металлического проводника.

Теперь рассмотрим механизм примесной проводимости полупроводника на примере кристалла германия Ge, содержащего примесь атомов индия In, валентность которых равна трём.

Валентные электроны атома индия образуют ковалентные связи лишь с тремя соседними атомами германия (рис. 165). На образование связи с четвёртым атомом германия у атома индия электрона нет. Поэтому возле каждого атома индия одна из ковалентных связей будет незаполненной, т. е. возникает дырка. Этот недостающий электрон может быть захвачен атомом индия из ковалентной связи соседних атомов германия. Но при этом дырка образуется на том месте, где до этого находился электрон.

В результате введения такой примеси в кристалле разрывается множество ковалентных связей и образуются дырки. Проводимость такого кристалла будет преимущественно дырочной. Свободные электроны, которые возникают за счёт собственной проводимости полупроводника, являются неосновными носителями электрического заряда, так как их концентрация мала по сравнению с концентрацией дырок. Такие полупроводники называют дырочными полупроводниками или полупроводниками p-типа (от лат. positiv — положительный).

Примеси, наличие которых в полупроводнике приводит к образованию дырок, не увеличивая при этом числа свободных электронов, называют акцепторными (принимающими). Удельное сопротивление полупроводников, содержащих акцепторные примеси, также резко уменьшается.

Электронно-дырочный переход

Рассмотрим полупроводник, одна часть которого содержит донорную примесь и поэтому является полупроводником «-типа, а вторая — акцепторную примесь и является полупроводником р-типа. В зоне контакта образуется тонкий слой, который называют электронно-дырочным переходом или n—р-переходом. Концентрация свободных электронов в n-области значительно выше, чем в p-области, соответственно концентрация дырок в p-области значительно больше их концентрации в n-области. Из-за того, что через границу раздела происходит диффузия электронов из n- в р-область и диффузия дырок из р- в n-область, на границе n- и p-областей появляется электрическое поле. Оно препятствует дальнейшему переходу основных носителей заряда через границу раздела. Иными словами, в зоне перехода между полупроводниками n- и p-типов образуется запирающий слой (рис. 166).

Соберём электрическую цепь, состоящую из источника тока, лампочки и полупроводника с n—р-переходом. При этом положительный полюс источника тока подключим к p-области, а отрицательный — к n-области (рис. 167). При замыкании цепи лампочка будет светиться. Вывод очевиден: в цепи проходит электрический ток.

Объясним наблюдаемое явление. Под действием электрического поля, созданного источником тока, запирающий слой начнёт исчезать, так как напряжённость внешнего электрического поля источника противоположна по направлению напряжённости поля запирающего слоя и практически полностью компенсирует её. Это приводит к возобновлению диффузии основных носителей заряда через n-р-переход: из области n в область р — электронов, а из области р в область n — дырок. При этом толщина n—р-перехода уменьшается, следовательно, уменьшается его сопротивление (рис. 168). В этом случае n—р-переход включён в прямом (пропускном) направлении.

А теперь подключим положительный полюс источника тока к n-области, а отрицательный — к p-области (рис. 169). При замыкании цепи лампочка не светится, т. е. электрического тока в цени нет.

Причина в том, что толщина запирающего слоя и, следовательно, его сопротивление увеличиваются, так как направление напряжённости электрического поля, созданного источником, совпадает с направлением напряжённости ‘ поля запирающего слоя. В этом случае n — р-переход включён в обратном (запирающем) направлении и ток через n — р-переход практически отсутствует (если не учитывать ток, созданный неосновными носителями, концентрация которых мала по сравнению с концентрацией основных носителей тока).

Таким образом, n—р-переход в полупроводнике обладает односторонней проводимостью. На рисунке 170 представлена вольт-амперная характеристика прямого перехода — участок ОВ и обратного перехода — участок ОА.

Полупроводниковый диод

Свойство односторонней проводимости n—р-перехода используют в полупроводниковых приборах, называемых диодами. Для получения n—p-перехода берут, например, кристалл германия с донорной примесью. Такой кристалл обладает электронной проводимостью (проводимостью n-типа). Если в одну из поверхностей кристалла германия вплавить индий, то вследствие диффузии атомов индия в поверхностном слое германия образуется область с проводимостью p-типа. Та часть кристалла, в которую атомы индия не проникли, по-прежнему имеет проводимость n-типа. Между двумя областями с проводимостями разных типов возникает n—р-переход (рис. 171).

В полупроводниковом диоде германий служит катодом, а индий — анодом. Схематическое обозначение диода приведено на рисунке 172.

Для защиты от внешних воздействий кристалл германия помещают в герметичный металлический или стеклянный корпус (рис. 173).

У полупроводниковых диодов высокий коэффициент полезного действия, они долговечны и миниатюрны по размерам. К недостаткам полупроводниковых диодов относится то, что они могут работать в ограниченном интервале температур (от — 70 °С до 125 °С).

Полупроводниковые диоды являются основными элементами выпрямителей переменного тока и детекторов электромагнитных сигналов. С помощью полупроводниковых диодов можно осуществить непосредственное превращение энергии электромагнитного излучения в электрическую энергию. Такие диоды называют фотодиодами (рис. 174). Если к выходам фотодиода подключить, например, резистор, то в электрической цепи проходит электрический ток, возникающий в результате диффузии через n—p-переход неосновных носителей электрического заряда, которые образуются под действием излучения, падающего на фотодиод. Причём сила электрического тока, проходящего через фотодиод, линейно зависит от интенсивности падающего на него света. В данном режиме фотодиод «работает» как источник тока (солнечная батарея). Если фотодиод включён в обратном направлении, то он «работает» как фоторезистор и его можно использовать для управления током в электрической цепи. Фотодиоды применяют в измерительной технике, системах автоматики.

Светоизлучающий диод (светодиод) — полупроводниковый прибор, преобразующий электрическую энергию непосредственно в световое излучение. Он представляет собой миниатюрный полупроводниковый диод, помещённый в прозрачный корпус (рис. 175). Используя светодиоды, изготавливают, например, светодиодные светильники (рис. 176).

1. Проводимость, обусловленную наличием примесей в полупроводнике, называют примесной проводимостью полупроводника.
2. Примеси, поставляющие в полупроводники свободные электроны без возникновения равного им количества дырок, называют донорными. Полупроводники, содержащие донорные примеси, называют электронными полупроводниками или полупроводниками n-тина.
3. Примеси, наличие которых в кристалле полупроводника приводит к образованию дырок, не увеличивая при этом числа свободных электронов, называют акцепторными. Полупроводники, содержащие акцепторные примеси, называют дырочными полупроводниками или полупроводниками р-типа.
4. Электронно-дырочным переходом или n—р-переходом называют тонкий слой в зоне контакта полупроводников n- и p-типа. n—р-переход в полупроводнике обладает односторонней проводимостью.

Электрический ток в вакууме

Для изучения электрического тока в вакууме в стеклянную или металлическую колбу устанавливают два электрода на определенном расстоянии друг от друга. Воздух должен быть так откачан, чтобы при движении между электродами молекулы не сталкивались. Для этого остаточное давление воздуха в колбе должно быть в пределах мм.рт.ст.

Один из электродов будем называть анодом и его соединим с положительным полюсом источника. Второй будет катодом и его соединим с отрицательным полюсом источника (рис. 9.1).
Когда между анодом и катодом приложим напряжение, подключенный к цепи чувствительный гальванометр покажет отсутствие тока в цепи. Это значит, что в вакууме не существуют заряженные частицы, переносящие ток.

Чтобы появились заряженные частицы, нужно нагреть катод с помощью специального нагревателя . Нагреватель изготавливается в форме спирали, и через него пропускают электрический ток.

Явление выбивания электрона в результате нагревания металлов называется термоэлектронной эмиссией.

При нагревании катода на электроны, вылетевшие из него, действует электрическое поле, имеющееся между анодом и катодом. В результате электроны из катода к аноду двигаются с ускорением. Подключенный к цепи гальванометр регистрирует наличие тока.
Теперь анод подсоединим к отрицательному полюсу источника тока, а катод подсоединим к положительному полюсу. В этом случае стрелка гальванометра не отклоняется, т.е. по цепи не проходит ток.

Электрический ток в вакууме состоит из упорядоченного потока электронов.
Вакуумная лампа, состоящая из анода и катода, называется двухэлектродная электронная лампа – диод.

Свойства любого электронного прибора характеризуются его вольт-амперной характеристикой, т.е. зависимостью силы тока, проходящего через прибор, от напряжения, приложенного к нему.

Для изучения вольт-амперной характеристики диода на его нагреватель подается постоянное напряжение 4 В. В результате горячий нагреватель сохраняет постоянную температуру . Когда напряжение между анодом и катодом равно нулю, электроны, выбитые из горячего катода, образуют вокруг катода электронное облако. С ростом напряжения анода электроны в электронном облаке начинают двигаться в сторону анода, и электронное облако начинает рассеиваться. Здесь с ростом напряжения растет и ток анода (рис. 9.2). В вольт-амперной характеристике это приходится на область 1. Затем рост напряжения не оказывает заметного влияния на увеличение анодного тока и в характеристике это приходится на область 2. В это время все электроны, покидающие катод, достигают анода, и анодный ток остается без изменения. Анодный ток в это время называется током насыщения.

Если повторить опыт с напряжением нагревателя 6 В, его температура будет . При этом увеличится значение тока насыщения. Как видно из характеристики, зависимость силы тока от напряжения нелинейная. В области 1 характеристики зависимости силы тока от напряжения подчиняется следующей закономерности

Это формула называется формулой Богуславского – Ленгмюра.
До появления мощных полупроводниковых диодов для выпрямления переменного тока использовали вакуумные диоды.

Зависимость сопротивления металлических проводников от температуры

Как зависит сопротивление металлических проводников от изменения температуры?

Давайте обсудим это. С одной стороны, рост температуры приведет к увеличению скорости свободных электронов и количеству их соударений. Кроме этого, увеличится амплитуда колебаний ионов в узлах кристаллической решетки и количество их соударений с двигающимися электронами. В результате уменьшится скорость упорядоченного движения заряженных частиц, и это приведет к уменьшению силы тока.

С другой стороны, при повышении температуры увеличится количество свободных электронов в единице объема. Например, в электролитических растворах увеличится количество ионов.

В зависимости от того, какой фактор играет большую роль, повышение температуры приведет к увеличению или уменьшению сопротивления проводника.

Для проверки правильности этих рассуждений проведем следующий опыт. Последовательно к электрической лампочке соединен стальной провод в форме спирали (рис. 9.3).

Сначала лампочка горит ярко. Если спираль нагреть, то яркость лампочки падает. Если к ним последовательно соединить амперметр, он покажет, что сила проходящего тока уменьшилась. Этот опыт показывает, что при нагревании спирали увеличивается ее сопротивление. Такой же опыт можно провести с другими металлами и сплавами.

Значит, при нагревании металлических проводников их сопротивление увеличивается.

Если при 0 °C значение сопротивления проводника равно , при температуре равно , зависимость между ними имеет вид

Здесь – температурный коэффициент сопротивления. Чтобы понять физический смысл этого, запишем

Значит, коэффициент показывает, какую часть составляет изменение сопротивления проводника при изменении температуры на 1 °C относительно сопротивления при 0 0 C. В точно работающих электронных схемах необходимо учитывать зависимость сопротивления проводника от температуры, иначе это может привести к появлению дополнительных ошибок.

При нагревании проводников их геометрические размеры изменяются мало. Сопротивление проводника в основном меняется с изменением удельного сопротивления. Для определения зависимости удельного сопротивления от температуры, в выражение (9.2) подставим: и и получим.

В следующей таблице приводятся температурные коэффициенты удельного сопротивления некоторых металлов.

Металл или сплав		Металл или сплав
Алюминий	0,0042	Никелин	0,0001
Висмут	0,0046	Никель	0,0065
Вольфрам	0,0045	Ниобий	0,003
Железо	0,0062	Нихром	0,0002
Золото	0,0040	Олово	0,0044
Индий	0,0047	Платина	0,0039
Кадмий	0,0042	Ртуть	0,0010
Кобальт	0,0060	Свинец	0,0042
Медь	0,0039	Серебро	0,0040
Молибден	0,0050	Хром	0,0059
Натрий	0,0055	Хромал	0,000065
Нейзильбер	0,0003	Цинк	0,0042

Зависимость удельного сопротивления металлов от температуры используется в термометрах сопротивления. Такими термометрами можно измерять очень высокие и очень низкие температуры. Например, с помощью платиновых термометров можно измерять температуры от – 200 o C до +600 o C с точностью 0,0001 o C.

Таким образом, в металлах с понижением температуры сопротивление должно уменьшаться, а при абсолютно нулевой температуре должно равняться нулю. Однако, с другой стороны, при абсолютно нулевой температуре в результате стремления к нулю скорости свободных электронов сопротивление проводника должно быть бесконечно большим.

Правильность этих выводов нужно было проверить экспериментальным путем. В 1908 году голландский физик Камерлинг-Оннес первым смог получить жидкий гелий. Именно работая при температурах кипения жидкого гелия, Камерлинг-Оннес открыл явление сверхпроводимости. Сначала он проводил эксперименты с металлами, затем с ртутью. Эксперименты, проведенные с ртутью, дали неожиданные результаты. С понижением температуры сопротивление ртути уменьшается, и при температуре 4,15 К (ниже, чем температура кипения жидкого гелия) резко уменьшается и опускается до нуля (рис. 9.4). 28 апреля 1911 года Камерлинг-Оннес опубликовал свои результаты. Это явление он назвал «сверхпроводимостью», однако теориями того времени это явление невозможно было объяснить.

В 1912 году явление сверхпроводимости наблюдали уже в свинце и олове. В последующих исследованиях подобные явления наблюдались во множестве металлов и сплавов при температурах ниже 25 К. В 1957 году явление сверхпроводимости было теоретически обосновано Купером и Боголюбовым. В эксперименте, проведенном в 1957 году Коллинзом, в замкнутой цепи без источника тока в течение 2,5 лет непрерывно проводили ток. В 1986 году в металлокерамических материалах наблюдали процесс высокотемпературной (100 К) сверхпроводимости.

Пример №4

В спирали электрической лампочки, изготовленной из вольфрама, сопротивление при 20 o C равно 30 Ом. При соединении лампочки с источником постоянного тока 220 В сила тока, проходящего через него, равнялась 0,6 А. Определите температуру спирали при свечении лампочки.
Дано:

Р е ш е н и е :

Собственная проводимость полупроводников

В природе существуют вещества, у которых количество электронов в единице объема меньше, чем в проводниках, но больше, чем у изоляторов (диэлектриков). Такие вещества называют полупроводниками.

В полупроводниковых веществах с повышением температуры их удельное сопротивление уменьшается.

При очень низких температурах полупроводниковое вещество становиться диэлектриком.

При воздействии света на металлы их электрическая проводимость почти не меняется. При попадании света на полупроводники их электрическая проводимость увеличивается.

Таким образом, основные отличительные черты полупроводников следующие:

• а) по способности проведения электричества занимают промежуточное состояние между металлами и диэлектриками;
• б) при нагревании и освещении уменьшается удельное сопротивление.

К элементам, обладающим полупроводниковыми свойствами, относятся германий, кремний, теллур, селен и др. Как вам известно из курса химии, полупроводниковые элементы по своим свойствам и атомному построению расположены в III, IV и V группе периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева.

Структура полупроводников. Собственная проводимость

Чтобы понять природу электрического тока в полупроводниках, нужно знать их структуру. Для этого рассмотрим кристалл чистого кремния, в составе которого нет никакого инородного вещества. В 9-классе вы познакомились со строением атомов и узнали, что электроны в атоме расположены по оболочкам.

В атоме кремния при послойном расположении электронов на внешней оболочке располагаются четыре электрона. Соседние атомы связаны друг с другом с помощью этих электронов.

Каждый атом связан с другим атомом общей парой электронов по одному от каждого атома. Такая связь называется ковалентной связью.
Электроны, участвующие в ковалентной связи, называются валентными электронами. Значит, валентные электроны относятся ко всем атомам кристалла.

Электронная проводимость

Связь, образованная при низких температурах электронными парами, является крепкой и не разрывается. Поэтому при низких температурах кремний не пропускает электрический ток. При повышении температуры растет кинетическая энергия валентных электронов. Некоторые связи начинают разрываться, а электроны из них превращаются в свободные электроны, как в металлах. Эти электроны под действием электрического поля перемещаются по полупроводнику и создают электрический ток (рис. 9.5).

Появление тока в полупроводнике в результате перемещения свободных электронов называется электронной проводимостью или проводимостью n-типа (по-латински negativus – отрицательный).

Дырочная проводимость

Электрон, участвовавший в ковалентной связи, освобождает место и на этом месте образуется дырка. Когда из нейтрального атома уходит отрицательно заряженный электрон, его место считается как положительный заряд.

Пустое место занимает другой электрон, участвующий в ковалентной связи. Но теперь дырка появится в другом месте. Таким образом, при перемещении электронов с одного места на другое происходит относительное перемещение дырок.

Когда нет электрического поля, перемещение электронов и соответственно дырок будет беспорядочным.

Под действием электрического поля свободные электроны будут перемещаться в одну сторону, а дырки в другую сторону.

Точно также при скачке соседнего электрона в дырку, которая появилась в начале проводника, положительно заряженная дырка перемещается в конец проводника (рис. 9.6). Такая проводимость называется дырочной проводимостью полупроводника или проводимостью р-типа (по-латински positives – положительный).

Таким образом, в чистых (без примесей) полупроводниках существует электронная проводимость, связанная с движением свободных электронов, и дырочная проводимость, связанная с движением дырок.
Проводимость чистого полупроводника без примесей называется собственной проводимостью. Здесь в данном веществе электронная и дырочная проводимость будут почти равны.

Способность чистых полупроводников пропускать электрический ток мала из-за небольшого количества в них свободных электронов и дырок.

Смешанные полупроводники: донорные смеси

Теперь в чистый полупроводниковый кремний добавим немого примеси. Сначала между атомами кремния внесем пятивалентный мышьяк ().
Здесь места электронов, создающих четыре ковалентные связи кремния, занимают четыре электрона мышьяка. Пятый электрон мышьяка остается не связанным и превращается в свободный электрон (рис. 9.7а).

В результате количество электронов будет больше, чем количество дырок. Удельное сопротивление полупроводника резко уменьшится. Если количество атомов добавленного мышьяка составляет десятимиллионную часть атомов полупроводника, то концентрация свободных электронов (количество электронов, приходящееся на 1 см 3 ) будет в тысячи раз
больше, чем в чистом полупроводнике. Примеси, которые при добавлении легко отдают свои электроны, называются донорными примесями. Из-за того, что в донорных примесях основными носителями тока являются электроны, их называют полупроводниками -типа. Дырки в этих полупроводниках относятся к неосновным носителям заряда.

Акцепторные примеси

В чистый полупроводниковый кремний добавим вещество индий (). Индий является трехвалентным элементом, три его электрона создают ковалентную связь с атомом кремния. Здесь не хватает одного электрона для создания нормальной ковалентной связи индия с соседними атомами. В результате образуется дырка. Сколько атомов индия будет внесено в кристалл, столько же образуется дырок (рис. 9.7б).

Примеси такого вида называют акцепторными примесями. При вводе полупроводника в электрическое поле происходит перемещение дырок и появляется дырочная проводимость. Полупроводники с примесями, основными носителями тока в которых являются дырки, называются полупроводниками -типа. В этих полупроводниках электроны являются неосновными носителями заряда.

Полупроводниковые приборы (диоды, транзисторы) и использование их в технике

Рассмотрим полупроводник, состоящий из кристаллов -типа с одной стороны и кристаллов -типа с другой (рис. 9.8). В средней части полупроводника свободные электроны быстро заполняют свободные дырки. В результате в середине полупроводника образуется область, в которой отсутствуют носители заряда. Свойства этой области будут похожи на свойства диэлектрика.
Эта область в дальнейшем будет препятствовать прохождению электронов в -область, а дырок в -область. По этой причине его называют запирающим слоем.

Данный полупроводник соединим с источником тока. Сначала -область полупроводника соединим с отрицательным полюсом источника, -область – с положительным полюсом источника (рис. 9.9).

В этом случае электроны притягиваются к положительному полюсу источника, а дырки – к отрицательному полюсу. В результате запирающий слой расширяется. Через полупроводник почти не проходит ток. Такое состояние называется обратным переходом.

Теперь -область полупроводника соединим с положительным полюсом источника, а -область соединим с отрицательным полюсом источника. Здесь электроны отталкиваются от -области и притягиваются к -области.

В свою очередь дырки отталкиваются от -области и притягиваются к -области. В результате сужается запирающий слой и через него проходят носители заряда (рис. 9.10). Через полупроводник проходит ток. Такое состояние называется прямым переходом. При прямом переходе сопротивление полупроводника будет в несколько раз меньше, чем при обратном переходе. В полупроводнике из-за перехода ток проходит только в одном направлении. Этим свойством пользуются в полупроводниковых приборах.

Полупроводниковый диод

Чтобы создать переход в полупроводниках, не достаточно механического соединения двух полупроводников, которые обладают и проводимостью, потому что в этом случае расстояние между ними будет большим. Толщина и переходов должна быть равной межатомным расстояниям, поэтому в поверхность германиевого монокристалла вводят (вплавляют) индий. Благодаря явлению диффузии, атомы индия внедряются в монокристаллы германия. В результате на поверхности кристалла германия образуется область с проводимостью типа.

Область монокристалла германия, куда не вошли атомы индия, как и раньше обладает проводимостью типа. В промежуточной области образуется переход (рис. 9.11а).

Полупроводниковый прибор, имеющий один переход, называется полупроводниковым диодом.

Для того чтобы уменьшить влияние света, воздуха и внешних электрических и магнитных полей на полупроводниковый диод, кристалл германия помещают в герметично закрытую металлическую оболочку.

Условное обозначение полупроводникового диода приводится на рис. 9.11б.

Понятие о транзисторе

Полупроводниковая система, имеющая два перехода, называется транзистор. С помощью транзистора создаются, управляются и усиливаются электрические колебания. Для изготовления транзистора германиевый кристал помещают в корпус, снабженный выводами. С двух сторон в поверхность кристалла, обладающего электронной проводимостью, вводят индий. Толщина германиевого кристалла берется очень маленькой (несколько микрометров). Этот слой называется основой или базой транзистора (рис. 9.12а).

Крайние зоны с двух сторон кристалла, обладающие дырочной проводимостью, называются эмиттер и коллектор. Транзистор такого типа называется транзистором (рис. 9.12 а).

Транзистор изготавливают таким образом, чтобы концентрация дырок в области эмиттера в несколько раз превышала концентрацию электронов базы. Условное обозначения транзистора приводится на рис. 9.12б. Посмотрим, как работает транзистор (рис. 9.13).

Напряжение батарейки , подключенной между эмиттером и базой, создает прямой переход. Батарейка между коллектором и базой создает обратный переход. Каким образом появляется ток в коллекторе? Под действием напряжения, приложенного между базой и эмиттером, дырки входят в базу. Так как база транзистора очень тонкая и концентрация электронов невелика, только малое количество дырок соединяется с электронами. Большинство дырок переходят в область коллектора.

К коллектору подключен отрицательный полюс батарейки и дырки, подтягиваясь к нему, создают коллекторный ток. Сила тока в цепи эмиттер-база будет намного меньше, чем сила тока по направлению эмиттер-коллектор. По этой причине транзисторами пользуются для усиления сигналов переменного тока.

При изготовлении транзистора в качестве базы можно использовать полупроводник типа. В этом случае области эмиттера и коллектора изготавливаются из полупроводника типа. Такой транзистор называется транзистором.

Принцип работы транзисторов такого типа не отличается от транзистора типа – . В этих транзисторах ток направлен от коллектора в сторону эмиттера.

Интегральные микросхемы

В 70-х годах прошлого века изобрели микросхемы, состоящие из тысяч микроскопических транзисторов, которые размещались на пластинке полупроводникового материала размером с монетку. Из-за того, что вместе с транзисторами размещались диоды, конденсаторы, резисторы и другие радиоэлектронные элементы, такие схемы назвали интегральными микросхемами. Это изобретение дало возможность размещения сложных схем в маленьком объеме и создания настольных компьютеров. Если первоначально радиоэлементы размещали на поверхности полупроводника, в дальнейшем их начали распределять по всему объему. Подобные устройства называются микрочипами. На основе микрочипов были созданы мобильные телефоны, планшетные компьютеры (Notebook) и другие маленькие радиоэлектронные приборы. На сегодняшний день на микрочипе размером c монету размещают миллионы транзисторов и радиоэлементов. Это означает, что размер радиоэлемента составляет примерно ≈10-9 м и равен одному нанометру. При проектировании и изготовлении таких микросхем используется нанотехнология – комплекс методов, позволяющих создавать объекты наноразмеров.

Освоение этой отрасли и ее развитие начинается с изготовления самых простых электротехнических приборов и изучения принципов их работы.

Выпрямитель переменного тока

Известно, что телевизоры, радиоприемники и другие подобные приборы работают при подключении в сеть переменного тока напряжением 220 В. Но их составляющие – полупроводниковые приборы, такие как диод, транзистор должны работать от источника постоянного тока. Значит, в данных приборах должно быть специальное устройство, преобразующее переменный ток в постоянный. На рисунке 9.14 приводится простая схема такого прибора.

В этой схеме на первичную катушку трансформатора подается переменный ток напряжением 220 В, на выходе вторичной катушки получают 12 В. Полупроводниковый диод в положительной половине периода напряжения пропускает ток, в отрицательном периоде не пропускает. Согласно этому такой прибор называется однофазный однополупериодный выпрямитель.
Форма напряжения на входе и выходе выпрямителя приводится на рис. 9.14 (б и в). Как видно из рисунка, на схеме используется только половинное напряжение. Кроме этого, также сильно меняется его величина. Поэтому чаще используются двухполупериодные выпрямители.

Основные понятия, правила и законы

Термоэлектронная эмиссия	Явление выбивания электронов из металла в результате его нагревания.
Электрический ток в вакууме	Заключается в движении в одном направлении потока электронов и ионов.
Двухэлектродная электронная лампа	Вакуумная лампа – диод, состоящая из анода и катода.
Ток насыщения	Все электроны, покидающие катод, достигают анода, а анодный ток остается без изменения.
Формула Богуславского- Ленгмюра	Зависимость силы тока, проходящего через вакуумный диод, от анодного напряжения.
Зависимость сопро- тивления металлических проводников от температуры	сопротивление проводника при – сопротивление при температуре , – температурный коэффициент сопротивления.
Сверхпроводимость	Резкое уменьшение сопротивления проводника до нуля при понижении температуры.
Электронная проводимость. (проводимость типа)	Появление тока в полупроводнике в результате перемещения свободных электронов.
Дырочная проводимость ( проводимость типа).	Свободное место, образованное в результате нехватки электрона в ковалентной связи, называется дыркой. Под воздействием электрического поля дырки перемещаются в полупроводнике, и возникает дырочная проводимость.
Собственная проводимость в полупроводниках	Пропускание электрического тока в результате перемещения в полупроводнике свободных электронов и дырок в равных количествах.
Донорные примеси	Примеси, при добавлении которых чистые полупроводники легко отдают электроны. При этом образуется проводимость типа.
Акцепторные примеси	Примеси, при добавлении которых в чистых полупроводниках не хватает одного электрона для ковалентной связи и образуются дырки. При этом возникает проводимость типа.
Запирающий слой	Область, образуемая на границе полупроводника с одной стороны типа, с другой стороны типа, где не будет заряженных частиц.
Прямой – переход	Прохождение тока через полупроводник, состоящий из кристаллов типа с одной стороны и типа с другой стороны, когда на анод (область) подается положительный потенциал, а на катор область – отрицательный, в результате чего происходит сужение запирающего слоя и через него проходят носители заряда.
Обратный – переход	Непрохождение тока через полупроводник в результате увеличения запирающего слоя при подключении к области) отрицательного потенциала, а к катоду области положительного потенциала.
Полупроводниковый диод	Полупроводниковый прибор, имеющий один переход. Условный знак
Транзистор	Полупроводниковый прибор, имеющий два -перехода. Различают структуры и .
Интегральная микросхема (ИМС)	Микроэлектронное устройство, состоящее из многочисленных элементов, очень компактно расположенных на полупроводниковой подложке.

Рекомендую подробно изучить предметы:

Физика Атомная физика Ядерная физика Квантовая физика Молекулярная физика

Ещё лекции с примерами решения и объяснением:

• Электромагнитная индукция в физике
• Правило Ленца для электромагнитной индукции
• Магнитные свойства вещества
• Явление самоиндукции
• Законы постоянного тока
• Переменный электрический ток
• Катушка индуктивности в цепях переменного тока
• Конденсатор в цепях переменного тока

При копировании любых материалов с сайта evkova.org обязательна активная ссылка на сайт www.evkova.org

Сайт создан коллективом преподавателей на некоммерческой основе для дополнительного образования молодежи

Сайт пишется, поддерживается и управляется коллективом преподавателей

Whatsapp и логотип whatsapp являются товарными знаками корпорации WhatsApp LLC.

Cайт носит информационный характер и ни при каких условиях не является публичной офертой, которая определяется положениями статьи 437 Гражданского кодекса РФ. Анна Евкова не оказывает никаких услуг.

Что такое электрическое сопротивление?

Электрическое сопротивление характеризует свойство проводника оказывать противодействие направленному движению заряженных частиц.

Влияние электрического сопротивления на электрический ток можно представить следующим образом:

• Движение свободных носителей электрического заряда внутри проводника приводит к тому, что свободные носители заряда сталкиваются с атомами и нарушают их поток.
• Этот эффект называется сопротивлением, которое обладает свойством ограничивать электрический ток в электрической цепи.
• Столкновение носителей электрического заряда с атомами также имеет тепловой эффект. Соответствующий элемент электрической цепи становится теплым или даже горячим. Если он перегреется, он может выйти из строя.

Электрическое сопротивление говорит о том, какое напряжение U необходимо, чтобы заставить электрический ток определенной силы тока I протекать через проводник. В физике для обозначения электрического сопротивления в формуле используется прописная буква R (от английского слова «Resistor» или «Resistance»).

Аналогия с потоком воды

Когда речь идет об электрическом сопротивлении в физике, необходимо различать два случая:

1. Электрические сопротивления как элементы электрической цепи (см. пример на рисунке 2). То есть, если вы называете элемент в электротехнике резистором, то вы имеете в виду конкретный элемент, предназначенный для целей ограничения протекания электрического тока в электрической цепи.
2. Электрическое сопротивление как физическая величина. Вы также можете спросить, насколько сильно тот или иной элемент препятствует протеканию электрического тока или вообще как можно рассчитать электрическое сопротивление. Здесь вы говорите об электрическом сопротивлении как о физической величине.

Примечание. Резистор — это прибор с постоянным сопротивлением. Если необходимо регулировать силу тока в электрической цепи, то используют для этой цели реостаты — приборы с переменным сопротивлением. В составе реостата имеется подвижный контакт, при помощи которого изменяется длина участка, включённого в цепь. Реостат используется, например, в регуляторах громкости радиоприёмников.

Вы можете проиллюстрировать работу резистора как элемента (т.е. случай 1) с помощью модели протекания воды в трубе.

Если представить поток электрического тока как поток воды через трубу, то резистор, имеющий электрическое сопротивление R, выполняет функцию сужения трубы. Сужение в трубе препятствует потоку воды, подобно тому, как резистор препятствует потоку электрического тока. Если вы сильнее сузите трубу, то сопротивление потоку воды увеличится. Тем самым труба будет больше препятствовать потоку воды.

Формулы для определения электрического сопротивления

Согласно закона Ома для участка электрической цепи следует, что если вы измеряете напряжение U на проводнике и через него течет ток силой I, то проводник имеет электрическое сопротивление R, равное U, деленное на I, т.е. R = U / I. Единицей измерения электрического сопротивления в СИ является Ом, которая названа в честь немецкого физика Георга Симона Ома. То есть, 1 Ом — это сопротивление проводника, в котором при напряжении 1 В проходит ток силой 1 А. Поэтому, иногда, электрическое сопротивление ещё могут называть «омическим сопротивлением».

Рис. 2. Определение электрического сопротивления

Для очень малых или очень больших сопротивлений используются такие дополнения, как милли-, кило- или мегаом. Применяются следующие отношения:

• 1 Миллиом = 1 мОм = 1*10 -3 Ом;
• 1 Килоом = 1 кОм = 1*10 3 Ом;
• 1 Мегаом = 1 МОм = 1*10 6 Ом.

Интересный факт! Электрическое сопротивление человеческого тела может изменяться от 20000 Ом до 1800 Ом.

Также вы можете рассчитать электрическое сопротивление проводников с помощью их геометрических характеристик. Формула для этого следующая (см. также рисунок 3):

• R — электрическое сопротивление проводника;
• l — длина проводника;
• S — площадь поперечного сечения проводника;
• ρ — удельное сопротивление вещества проводника (выбирается по таблицам).

Рис. 3. Электрическое сопротивление проводника

Другими словами, чем тоньше и длиннее проводник, тем больше его сопротивление электрическому току. Весомое значение имеет также материал, из которого изготовлен проводник.

Как измерять электрического сопротивление?

Для измерения электрического сопротивления необходимо придерживаться следующих правил:

• Измерение проводить нужно параллельно элементу электрического цепи;
• Элемент должен быть обесточен;
• Элемент не должен быть подключен к электрической цепи;
• Измерение имеет смысл только для обычного резистора.

Значение омического сопротивления лучше всего определять с помощью цифрового мультиметра, чтобы избежать ошибок и неточностей в показаниях.

При измерении с помощью измерительного прибора измеряемый элемент не должен быть подключен к источнику напряжения во время измерения. Измеряемый элемент должен быть отпаян от электрической цепи, по крайней мере, с одной стороны. В противном случае расположенные параллельно элементы будут влиять на результат измерения.

[spoiler title=”источники:”]

http://www.evkova.org/elektricheskij-tok-v-razlichnyih-sredah

http://www.asutpp.ru/elektricheskoe-soprotivlenie.html

[/spoiler]

Вот это и расстраивает.. Авас, подскажите, данные эффекты будут увеличивать сопротивление, уменьшать его, или “часть за, часть против”?

И давайте от нереального микрона перейдем к более (наверное?) реальной сотке, т.е. расстояние между электродами 0.01мм.

Площадь менять смысла нет, она основной параметр установки. Может быть и меньшей, но максимальная примерно такая.

Хотелось бы хотя бы оценочно решить задачу. Т.е. если я нигде не напутал с арифметикой, на скромных 5В, приложенных к электродам, ток в рамках закона Ома составит 2 миллиарда ампер, что многовато 🙂

И очень прошу кого-нибудь проверить цифры, у меня с ними огромная беда :hi:

Не буду скрывать назначение задачки. Появился в хозяйстве симпатичных трансформатор, 2х 5В-600А, т.е. 5В1200А10В600А.

Пытаюсь оценить его пригодность для финишной, а может быть и полноценной ЭХРО. Возможно, его нужно будет использовать как первичный источник для зарядки ёмкостей, возможно – коммутировать на промежуток..

Изменено 05.02.2016 10:05 пользователем Zoraccer

Электрический ток в жидкостях. Закон электролиза

Подробности

Обновлено 14.08.2018 01:55

Просмотров: 548

Жидкости по степени электропроводности делятся на:

– диэлектрики (например, дистиллированная вода),

– проводники (например, электролиты),

– полупроводники (например, расплавленный селен).

Электролит – это проводящая жидкость (растворы кислот , щелочей, солей и расплавленные соли).

Электролитическая диссоциация (разъединение) – при растворении в результате теплового движения происходят столкновения молекул растворителя и нейтральных молекул электролита.

Молекулы распадаются на положительные и отрицательные ионы.

Например, растворение медного купороса в воде.

Ион – это атом или молекула, потерявшая или присоединившая к себе один или несколько электронов.
Существуют положительные (катионы) и отрицательные (анионы) ионы.

Рекомбинация ионов

Наряду с диссоциацией в электролите одновременно может происходить процесс восстановления ионов в нейтральные молекулы.

Между процессами электролитической диссоциации и рекомбинации при неизменных условиях устанавливается динамическое равновесие.

Степень диссоциации – это доля молекул, распавшихся на ионы.
Степень диссоиацции возрастает с увеличением температуры и зависит от концентрации раствора и от электрических свойств растворителя.

Электропроводимость электролитов

Ионная проводимость – это упорядоченное движение ионов под действием внешнего электрического поля.
Ионная проводимость существует в электролитах, где прохождение электрического тока связано с переносом вещества.

Электронная проводимость – это также в небольшой мере присутствует в электролитах, но в основном характеризует электропроводимость жидких металлов.
Ионы в электролите движутся хаотически до тех пор, пока в жидкость не опускаются электроды, между которыми существует разность потенциалов.
Тогда на хаотическое движение ионов накладывается их упорядоченное движение к соответствующим электродам и в электролите возникает электрический ток.

Зависимость сопротивления электролита от температуры

Температурная зависимость сопротивления электролита объясняется в основном изменением удельного сопротивления.

где альфа – температурный коэффициент сопротивления.
Для электролитов всегда

Поэтому

Сопротивление электролита можно рассчитать по формуле:

Явление электролиза

Явление электролиза сопровождает прохождение элктрического тока через жидкость.
При электролизе происходит выделение на электродах веществ, входящих в электролиты.
Положительно заряженные анионы под действием электрического поля стремятся к отрицательному катоду, а отрицательно заряженные катионы – к положительному аноду.
На аноде отрицательные ионы отдают лишние электроны (окислительная реакция)
На катоде положительные ионы получают недостающие электроны (восстановительная реакция).

Закон электролиза

Закон электролиза был открыт в 1833году Майклом Фарадеем.

Закон электролиза определяет массу вещества, выделяемого на электроде при электролизе за время прохождения электрического тока.

k – электрохимический эквивалент вещества, численно равный массе вещества, выделившегося на электроде при прохождении через электролит заряда в 1 Кл.
Зная массу выделившегося вещества, можно определить заряд электрона.

Применение электролиза:

– получение чистых металлов (очистка от примесей);
– гальваностегия, т.е. получение покрытий на металле (никелирование, хромирование и т.д. );
– гальванопластика, т.е. получение отслаиваемых покрытий (рельефных копий).

Электрический ток в различных средах – Класс!ная физика

Электронная проводимость металлов. Зависимость сопротивления проводника от температуры. Сверхпроводимость —
Электрический ток в полупроводниках. Р-n переход. Полупроводниковые приборы —
Электрический ток в вакууме. Вакуумный диод. Электронно-лучевая трубка —
Электрический ток в жидкостях. Закон электролиза —
Электрический ток в газах —
Контрольные вопросы к зачету по теме: Электрический ток в различных средах

Измерение – сопротивление – электролит

Cтраница 1

Измерение сопротивления электролита между электродами необходимо производить на звуковой частоте.
 [1]

Для измерения сопротивления электролита применялась капля очень концентрированной амальгамы, которая вела себя в растворе, содержащем ионы Cd2, как 1 идеально обратимый электрод с нулевым электродным импедансом. Однако метод независимого определения Ся далеко не всегда может быть использован. Во-первых, часто оказывается невозможным подобрать индифферентный фон для данного электрода. Во-вторых, как мы видели из теории импеданса, изложенной в первой главе, часто введение электрохимически-активного вещества изменяет также величину емкости двойного слоя. По этим причинам возникает задача прямого определения Нэ, СЛ и параметров импеданса ZR в одном опыте.
 [3]

Однако измерение сопротивления электролита представляет значительные трудности по сравнению с измерением сопротивлений металлических проводников. Эти трудности обусловлены тем, что при измерении сопротивления электролита приборами, питаемыми постоянным током, возникает явление поляризации, которое вызывает добавочное падение напряжения в цепи.
 [4]

Для измерения сопротивления электролита применена мостиковая схема.
 [5]

При измерении сопротивления электролитов необходимо применение переменного тока, так как под действием постоянного тока происходит поляризация электродов продуктами электролиза и измеренное сопротивление не соответствует истинному значению сопротивления объемного слоя электролита.
 [6]

Во избежание электролиза измерение сопротивления электролита производится на переменном токе. Для устранения влияния температуры применяется температурная компенсация. Он представляет собой медно-нике-левое сопротивление гк, расположенное в растворе. Оно соединено последовательно с разветвлением из сопротивления гх и шунтирующего манганинового сопротивления гг. Сопротивления гк и г подобраны так, что изменение сопротивления электролита, вызванное изменением его температуры, с точностью до 1 – 2 % компенсируется изменением сопротивления гк.
 [8]

Собирают установку для измерения сопротивлений электролитов согласно рис. 94 или рис. 98, платинируют электроды, калибруют реохорд и определяют постоянную сосуда. Сосуд помещают в термостат при заданной температуре, выдерживают 10 – 15 мин и производят измерение сопротивления ( стр. По оконча; ии измерений из сосуда пипеткой отбирают 10 мл раствора и прибавляют 10 мл дистиллированной воды. Вода должна иметь ту же температуру, что и р-аствор, для чего колбу с водой помещают в термостат. Одна пипетка на 10 мл должна быть использована для отбора раствора, другая также на 10 мл для добавления воды. При отборе раствора из сосуда следует избегать прикосновения пипетки к электродам.
 [9]

Собирают установку для измерения сопротивления электролитов согласно рис. 94 или рис. 98, платинируют электроды сосуда и определяют его постоянную, как было указано выше ( стр. Затем сосуд заполняют исследуемым раствором и помещают в термостат, где при температуре 25 С выдерживают 10 – 15 мин, после чего производят измерение и расчет сопротивления электролита ( стр. Измерения повторяют при температурах 35, 45, 55, 65 и 75 С или других, заданных преподавателем. Устройство термостата и регулирование температуры описаны на стр.
 [10]

Дальнейшую подготовку к измерению сопротивлений электролитов производят обычным путем: платинируют электроды, определяют постоянную сосуда ( стр.
 [11]

Существуют 2-и 4-электродные схемы измерения сопротивления электролита. Это напряжение измеряется с помощью автоматич. Для температурной компенсации показаний используется мостик, содержащий термосопротивление Лт, расположенное вблизи электродов. Мостик питается напряжением UK, снимаемым с реохорда.
 [13]

Как было указано выше, измерение сопротивления электролита производится при помощи мрстиковой схемы. Однако в отличие от обычной схемы в диагональ АВ моста ( рис. 26) включен вибрационный гальванометр О типа ВГ.
 [14]

Мосты реохордные типа Р38 предназначены для измерения сопротивлений электролитов ( проводников II рода) на переменном токе и сопротивлений твердых проводников ( проводников I рода) на постоянном токе.
 [15]

Страницы:  

   1

   2

   3

Электролиты

ЛАБОРАТОРНАЯ
РАБОТА № 3

Электропроводность электролитов

Способность
электролитов проводить электрический
ток характеризуется сопротивлением
или электропроводностью. Сопротивление
проводника R (Ом)
пропорционально его длине l
(см) и обратно пропорционально поперечному
сечению S (см²):

(1)

где  –
удельное сопротивление, зависящее от
природы проводника и температуры.
Величина, обратная удельному сопротивлению,
называется удельной электропроводностью,
обозначается æ и
определяется проводимостью столбика
раствора электролита длиной 1 см и
сечением 1 см². При этом размерность
удельной электропроводности

.
Тогда согласно определению 
=1/æ, следовательно,

R = 1/Sæ

и (2)

æ
.

Для характеристики раствора
электролита, кроме удельной
электропроводности, большое значение
имеет так называемая эквивалентная
электропроводность ,
связанная с удельной соотношением:

 = (æ/c)
,
(3)

где c –
концентрация электролита, выраженная
в г-экв/л. Эквивалентная электропроводность
численно равна электропроводности
такого объема раствора, который содержит
1 г-экв электролита и помещен между
параллельными электродами, отстоящими
друг от друга на расстоянии 1 см.
Эквивалентная электропроводность
слабого

электролита связана с
подвижностью ионов и степенью диссоциации
уравнением:

(4)

где 
– степень диссоциации; l_k
– подвижность катиона; l_a
– подвижность аниона. При бесконечном
разведении степень диссоциации
возрастает, приближаясь к 1. Одновременно
возрастает и эквивалентная проводимость,
достигая предельного значения ₀
в бесконечно разбавленном растворе:

₀ = l_k
+ l_a . (5)

Сравнивая (4) и (5), получаем 
=

.
Константа диссоциации слабого бинарного
одновалентного электролита, например
уксусной кислоты, может быть найдена
таким образом:

HA 
H⁺ + A^–,

. (6)

Если c –
концентрация электролита, 
– степень диссоциации, то равновесные
концентрации будут иметь следующие
значения:

Подставляя эти значения в
(6), получаем:

.

Зная, что 
=

,
имеем выражение для константы диссоциации:

. (7)

Для вычисления электропроводности
по уравнению (2) необходимо опытным путем
найти сопротивления R и
отношение l/S.
Последнее зависит лишь от формы и
размеров электродов, их относительного
расположения, но не от природы электролита
и концентрации, т.е. является

11

константой сосуда, в котором
производятся измерения (постоянная
электролитической ячейки).

Д
ля
определения сопротивления исследуемый
раствор наливают в сосуд с двумя
платиновыми электродами, покрытыми
платиновой чернью. Измерение сопротивления
R слоя электролита,
заключенного между электродами,
осуществляется путем сравнения этого
неизвестного сопротивления с известным
с помощью мостика Кольрауша, где AB
– измерительная проволока; R₁
и R₂ – плечи мостика;
R_э – магазин
сопротивлений (известное сопротивление);
R_х – сопротивление
сосуда с раствором электролита.

Изменяя
сопротивление Rэ и
передвигая контакт D,
находят для него такое положение, при
котором нуль-индикатор показывает
отсутствие тока. Этому положению контакта
соответствует равенство отношений
R_х/R_э
и R₁/R₂,
т.е. на участке CD не будет
проходить ток, если выполняется равенство

.

На практике
часто применяют более удобный в обращении
мост Р-38. Сосуд (электролитическая
ячейка) с платиновыми электродами,
наполненный электролитом, присоединяют
к контактам R_х.
Правила обращения с мостом Р-38 приведены
на внутренней стороне крышки прибора.

Цель работы
– установление зависимости удельной
и эквивалентной электропроводности
уксусной кислоты от концентрации,
определение константы диссоциации
последней.

ПОРЯДОК
ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

При всех
измерениях электропроводности
первоначально находят константу сосуда
l/S по
измерению сопротивления раствора
электролита-эталона, удельная
электропроводность которого известна
в широком интервале концентраций и
температур. Обычно для этой цели
используют раствор хлорида калия. Сосуд
для измерения электропроводности
ополаскивают дистиллированной водой
и 2-3 раза исследуемым раствором. Затем
наливают такое количество раствора,
чтобы уровень жидкости превышал на 3-5
мм верхний край электродов. При всех
измерениях объем жидкости в сосуде
должен быть одним и тем же, поэтому
наполнять сосуд следует с помощью
мерного цилиндра. Наливают 50 мл 0,001 н.
раствора хлорида калия и измеряют его
сопротивление R, взяв
среднее значение из трех определений.
По уравнению (2) находят величину l/S:

æ_KCI

Зависимость удельной
электропроводности 0,001 н. раствора KCI
от температуры приведена в таблице:

t, C	18	20	25
æ,	0,000127	0,000133	0,0001473

Зная константу
сосуда, можно определять удельную и
эквивалентную электропроводности
любого электролита.

Для выполнения
работы в сосуд для измерения
электропроводности наливают 50 мл 1н.
уксусной кислоты и определяют сопротивление
раствора, взяв среднее из трех значений.
Закончив измерения с 1н. раствором,
отбирают 25 мл этого раствора и добавляют
25 мл воды к оставшимся 25 мл 1 н. раствора
уксусной кислоты. Полученный разбавлением
0,5 н. раствор взбалтывают и снова измеряют
сопротивление, как указано выше. Подобное
последовательное разбавление повторяют
еще три раза, получая 0,25; 0,125; 0,0625 н.
растворов уксусной кислоты и соответственно
измеряя их сопротивление. По формулам
(2) и (3) рассчитывают удельную и эквивалентную
электропроводности, а по уравнению (7)
– константу диссоциации уксусной
кислоты для приведенных значений
концентраций. Величину предельной
эквивалентной электропроводности (₀)
уксусной кислоты вычисляют по уравнению
(5), подставив вместо l_k
подвижность иона водорода:

l_H+
= 315(1 + 0,0154(t –18)),

а вместо l_a
– подвижность аниона уксусной кислоты:

= 35,5(1 + 0,0236(t – 18)),

где t –
температура опыта, C.

Вычисленная
константа диссоциации несколько
изменяется с концентрацией. Полностью
независимой от концентрации является
константа диссоциации, выраженная через
активность (K_a).

Результаты
измерений и вычислений представляют в
виде сводной таблицы и двух кривых,
изображающих зависимость:

1. удельной электропроводности
   от концентрации;

2. эквивалентной электропроводности
   от концентрации.

ЛАБОРАТОРНАЯ
РАБОТА № 4

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #