Б) Электрический ток в электролитах. Законы электролиза

Растворы некоторых веществ (кислот, щелочей, солей) в воде  электролиты  способны проводить электрический ток. В воде молекулы этих веществ распадаются (диссоциируют) на ионы. При наличии электрического поля между электродами отрицательные ионы движутся к аноду, а положительные  к катоду (Рис. 3 .57).

Рис. 3.57 Движение ионов в электролите

Противодействие, которое ионы, ускоряемые полем Е, встречают со стороны молекул растворителя, можно интерпретировать как трение, при этом можно считать, что движение ионов происходит с постоянной скоростью как в любой вязкой среде, а величина скорости пропорциональна напряженности электрического поля Е. Аналогично тому, как из ( 3 .109) получен закон Ома для металлов, можно получить выражение для плотности тока в электролите, и эта плотность тока пропорциональна напряженности поля. Однако закон Ома для электролитов выполняется не при всех возможных значениях тока. При очень больших напряженностях поля (10⁶ В/м) в электролите наблюдаются заметные отклонения от закона Ома. Они обусловлены тем, что при больших скоростях движения ионов изменяются условия взаимодействия как между ионами, так и ионов с молекулами растворителя («трение»).

Прохождение электрического тока через электролит сопровождается электролизом  выделением на электродах составных частей растворенного вещества. Электролиз применяется для получения чистых материалов, например для получения рафинированной меди. Медные электроды погружаются в раствор медного купороса, молекулы которого диссоциируют на ионы: . При протекании тока медный анод растворяется, чистая медь осаждается на катоде, а примеси и шлаки выпадают на дно. Законы электролиза были установлены Фарадеем.

Первый закон  количество вещества, выделившееся на электроде, пропорционально прошедшему через электролит заряду: , где k - электрохимический эквивалент, численно равный массе вещества, выделившейся при прохождении через электролит заряда в 1 Кл.

Второй закон  электрохимические эквиваленты всех веществ пропорциональны их химическим эквивалентам: , где - химический эквивалент, М - молярная масса вещества, n - валентность, F - постоянная Фарадея.

Оба закона можно объединить:

.

Кроме получения чистых металлов, электролиз используют в электрометаллургии расплавов (получение алюминия, натрия, магния и др.), для покрытия поверхности металлов декоративной или защитной пленкой (гальваностегия), для получения металлических слепков с рельефных моделей (гальванопластика), для электрической полировки поверхностей металлов.

В) Электрический ток в газах. Понятие о плазме

Газы при обычных условиях не проводят электрического тока. Вследствие нагревания, воздействия излучения и т.п. часть газа ионизуется: часть атомов теряет электроны  возникают положительные ионы, часть нейтральных атомов захватывает электроны  возникают отрицательные ионы. Таким образом, носителями заряда в газах являются электроны и ионы. Одновременно с процессом ионизации в газе происходит обратный процесс  рекомбинация  образование нейтральных атомов при столкновении ионов с электронами.

Процесс протекания тока через газ называют газовым разрядом. При малых значениях напряженности электрического поля ток в газе может существовать только при наличии внешнего ионизатора (пламя, излучение и т.п.). Такой разряд называется несамостоятельным.

При небольших значениях напряженности электри­ческого поля (напряжения между электродами) ток в газе пропорционален напряжению (участок 1 вольтамперной характеристики, изо­бра­женной на Рис. 3 .58). При этих условиях ток в газе подчиняется закону Ома. При увеличении напря­же­ния все большая часть созданных ионизатором заряженных частиц будет достигать электродов, и, наконец, все ионы, еже­секундно создаваемые ионизатором, будут достигать электродов, рост тока сначала замедлится, а затем и вовсе прекратится, несмотря на увеличение напряжения наступит насыщение (участок 2). Закон Ома на этом участке не выполняется.

Рис. 3.58 Вольтамперная характеристика газового

разряда

При дальнейшем значительном увеличении напряженности поля Е ускоряемые на длине свободного пробега  электроны приобретают энергию , достаточную для выбивания электрона из нейтрального атома при соударении. Такой процесс называют ионизацией при соударении. Процесс образования положительных ионов и электронов будет нарастать лавинообразно, что приведет к возрастанию тока (участок 3). Если при этом убрать внешний ионизатор, то ток прекратится, так как однажды возникшие лавины дойдут до электродов, а новых лавин образовываться не будет. Начальные электроны, необходимые для образования лавин уже без действия ионизатора, могут возникать в газе при бомбардировке катода положительными ионами (вторичная электронная эмиссия), но для этого необходимо более высокое значение напряженности электрического поля. Ток при таких условиях будет существовать без внешнего ионизатора (участок 4), и такой разряд называется самостоятельным.

Основные виды газовых разрядов. Тлеющий разряд возникает в разреженном газе при давлении 0,01- 10 мм рт.ст. В таком газе столкновения происходят значительно реже и электроны на большей длине свободного пробега получают энергию, достаточную для ионизации атомов при меньшей напряженности электрического поля. Свечение тлеющего разряда применяется в осветительной технике, световой рекламе.

Искровой разряд возникает в сильно неоднородном электрическом поле вблизи заостренных электродов, где напряженность поля особенно велика и происходит вырывание электронов из металла под действием поля (автоэлектронная эмиссия). Разряд имеет форму ярко светящегося канала, соединяющего электроды. Искровой разряд применяется в системах зажигания бензиновых двигателей внутреннего сгорания. Гигантскую электрическую искру представляет собой молния.

Дуговой разряд возникает при небольших напряжениях между электродами. Носители заряда возникают за счет термоэлектронной эмиссии  испускания электронов раскаленными электродами. Для зажигания разряда электроды вначале нагреваются за счет протекания сильного тока короткого замыкания при соприкосновении электродов. Затем электроды раздвигаются. Этот разряд применяется при сварке и плавке металлов.

Плазма – «четвертое состояние вещества» – высокоионизированный газ, плотности положительных и отрицательных зарядов в котором одинаковы. Ввиду этого плазма электронейтральна. Плазма взаимодействует с электрическим и магнитным полями. Различают низкотемпературную плазму (T<10⁵) - тлеющий разряд, пламя, ионосфера Земли и др. и высокотемпературную (горячую) плазму(T>10⁶) - вещество в недрах звезд, в термоядерных реакторах.