Электрический Ток в Газах

В газах существуют несамостоятельные и самостояг тельные электрические разряды.

Явление протекания электрического тока через газ, наблюдаемое только при условии какого-либо внешнего воздействия на газ, называется несамостоятельным электрическим разрядом. Процесс отрыва электрона от атома называется ионизацией атома. Минимальная энергия, которую необходимо затратить для отрыва электрона от атома, называется энергией ионизации. Частично или полностью ионизированный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов одинаковы, называется плазмой.

Носителями электрического тока при несамостоятельном разряде являются положительные ионы и отрицательные электроны. Вольт-амперная характеристика представлена на рис. 54. В области ОАВ - несамостоятельный разряд. В области ВС разряд становится самостоятельным.

При самостоятельном разряде одним из способов ионизации атомов является ионизация электронным ударом. Ионизация электронным ударом становится возможна тогда, когда электрон на длине свободного пробега А приобретает кинетическую энергию W_k, достаточную для совершения работы по отрыву электрона от атома. Виды самостоятельных разрядов в газах - искровой, коронный, дуговой и тлеющий разряды.

Искровой разряд возникает между двумя электродами заряженными разными зарядами и имеющие большую разность потенциалов. Напряжение между разноименно заряженными телами достигает до 40 000 В. Искровой разряд кратковременный, его механизм - электронный удар. Молния - вид искрового разряда.

В сильно неоднородных электрических полях, образующихся, например, между острием и плоскостью или между проводом линии электропередачи и поверхностью Земли, возникает особая форма самостоятельного разряда в газах, называемая коронным разрядом.

Электрический дуговой разряд был открыт русским ученым В. В. Петровым в 1802 г. При соприкосновении двух электродов из углей при напряжении 40-50 В в некоторых местах возникают участки малого сечения с большим электрическим сопротивлением. Эти участки сильно разогреваются, испускают электроны, которые ионизируют атомы и молекулы между электродами. Носителями электрического тока в дуге являются положительно заряженные ионы и электроны.

Разряд, возникающий при пониженном давлении, называется тлеющим разрядом. При понижении давления увеличивается длина свободного пробега электрона, и за время между столкновениями он успевает приобрести достаточную для ионизации энергию в электрическом поле с меньшей напряженностью. Разряд осуществляется электронно-ионной лавиной.

Электрический ток в растворах и расплавах электролитов.

Явление распада молекул солей, щелочей и кислот в воде на ионы противоположных знаков называютэлектролитической диссоциацией. Полученные в следствие распада ионы служат носителями заряда в жидкости, а сама жидкость становятся проводником.

 

Вне электрического поля ионы движутся хаотически. Под действием внешнего электрического поля ионы, продолжая хаотичные движения, вместе с тем смещаются в направлении действия сил электрического поля: катионы к катоду, анионы - к аноду.

Следовательно, электрический ток в растворах (расплавах) электролитов - это направленное перемещение ионов обоих знаков в противоположных направлениях.

Прохождение электрического тока через раствор электролита всегда сопровождается выделением на электродах веществ, входящих в его состав. Это явление называют электролизом.

При движении внутри электролитов ионы взаимодействуют с молекулами воды и другими ионами, т.е. электролиты оказывают некоторое противодействие движению, а, следовательно, обладают сопротивлением. Электрическое сопротивление электролитов зависит от концентрации ионов, величины заряда иона, от скорости движения ионов обоих знаков.

Сопротивление электролитов так же определяется по формуле:

где  ρ_У - удельное сопротивление электролита, l - длина жидкого проводника,  S - площадь поперечного сечения жидкого проводника.

При увеличении температуры электролита уменьшается его вязкость, что ведет к увеличению скорости движения ионов. Т.е. при повышении температуры сопротивление электролита уменьшается.

 

Законы Фарадея.

1. Масса вещества, выделяемого на электроде, прямо пропорциональна электрическому заряду, прошедшему через электролит.

где m - масса вещества, выделяющегося на электроде,  k - электрохимический эквивалент, q - заряд, прошедший через электролит.

 

2. Электрохимический эквивалент вещества прямо пропорционален его химическому эквиваленту.

           

где М- молярная масса вещества, F- постоянная Фарадея, z - валентность иона.

постоянная Фарадея численно равна заряду, который должен пройти через электролит, чтобы выделить из него массу вещества, численно равную химическому эквиваленту.

 

Объединенный закон Фарадея.

 

                     

Работа выхода электрона

Электроны в металлах свободно перемещаются по всему объему образца, часть их при хаотическом тепловом движении выбрасывается из металла на расстояния, не превышающие атомных размеров, и втягиваются обратно, так как при выходе электронов металл заряжается положительно.

В результате решетка из положительных ионов будет снаружи обволакиваться тончайшим слоем отрицательных электронов, и у поверхности металла образуется двойной электрический слой, образованный положительными зарядами на поверхности металла и отрицательными зарядами электронного облака. Между электронным газом в металле и электронным облаком у его поверхности существует динамическое равновесие.

Р ассмотрим, какую работу надо совершить, чтобы удалить электрон из металла в пустоту (вакуум). Электрон, выходя за пределы металла, должен преодолеть задерживающее его электрическое поле двойного слоя: преодолеть притяжение положительных зарядов поверхностного слоя металла и преодолеть отталкивание отрицательного электронного облака.. Если принять, что потенциал в бесконечно удаленной точке равен 0, то можно считать, что и в любой точке вне металла и вне двойного электрического слоя потенциал точки равен нулю. Потенциал поверхности проводника обозначим через V₀, тогда работа по преодолению двойного электрического слоя при выносе из металла в пустоту электрона, не обладающего кинетической энергией, будет равна

A₀ = eV₀ .

Но в металле нет неподвижных электронов, каждый из них обладает некоторой кинетической энергией. Обозначим максимальную кинетическую энергию электрона в металле через W_max. В таком случае работа А, совершаемая при выходе из металла будет меньше, на величину W_max.

A = A₀ - W_max. = eV₀ - W_max.

Эту наименьшую работу, необходимую для выхода электрона из металла, называют работой выхода электрона. Представим эту работу в виде A = eV

Величина V носит название контактного потенциала данного металла. Величина контактного потенциала зависит от типа металла и чистоты обработки его поверхности (110В).

При комнатных температурах лишь ничтожная часть электронов внутри металла имеет достаточный запас энергии, чтобы, совершить работу А, выйти за пределы металла. Эта работа выхода совершается за счет уменьшения энергии хаотического движения электронов. По мере увеличения температуры число электронов с достаточной кинетической энергией увеличивается и вероятность выхода электрона из металла возрастает. При этом растут размеры электронного облака вблизи поверхности и увеличивается его насыщенность электронами. Явление выброса электронов из поверхности металла при нагревании (термоэлектронная эмиссия) часто используется в технических устройствах, но повышать энергию электронов можно не только нагреванием металла. Электроны могут быть выброшены при бомбардировке поверхности металла положительными ионами, действием интенсивного электрического поля, при облучении металла рентгеновскими или ультрафиолетовыми лучами и т.д.