Електричний струм в рідинах і розплавах

Електротехніка: Основи

Електричний струм в рідинах і розплавах

Вільні носії зарядів - іони

Вільні електричні заряди бувають не тільки в металах і це не тільки електрони. Є так само вільні носії зарядів, які іменуються - іонами. Що вони з себе представляють і чим відрізняються від елементарних частинок таких як електрон, протон, нейтрон, фотон? Гарне питання.

Спільне в них те, що і ті й інші (за винятком нейтрона і фотона) мають деяку кількість електричного заряду. Для електронів і протонів - це завжди елементарний заряд, а для іонів величина заряду може бути більше одного елементарного, але завжди кратна йому. Наступна їх спільність - це їх вільність. І ті й інші не пов'язані, а значить можуть вільно міняти характеристики свого руху під дією електричного поля.

Відмінності між іонами і елементарними зарядами (протон, електрон) в тому, що іони - це атоми речовини їх хімічної таблиці Менделєєва і їх ізотопи. Ці атоми мають особливістю. У своєму складі вони мають більше електронів ніж належить, або ж вони втратили свої електрони. Це може бути багато електронів на атом, або ж всього лише один єдиний. Крім електронів у атома є ще і протони, але їх втрата або приєднання означає ядерну реакцію і зміна структури атома. Також іонами можуть стати різноманітні з'єднання атомів - тобто молекули і радикали. Але розглянемо для простоти приклади на основі атомів.

Іони бувають двох знаків - позитивні + Q і негативні -Q. Для того, щоб отримати атому (+) заряд, йому досить втратити хоча б один електрон на своїй орбіті, тоді баланс буде порушений і протонів стане більше, ніж електронів. Виникає дефіцит, нестача електронів, атом починає жадати отримати новий електрон. Такий атом перетворюється в позитивний іон, або інакше називають його ще катіоном. Щоб отримати негативний іон (-). який інакше називають аніоном. досить електрично нейтральному атому приєднати хоча б один додатковий електрон.

Електричний струм з вільних зарядів - іонів

Струм провідності. який існує в металах, де вільними носіями зарядів є електрони, і струм в рідинах і розплавах, відрізняються в вироблених ефекти. Зрозуміло, є у них багато спільного, насамперед - це потік електрики dq / dt не дорівнює нулю, тобто в перерізі, перпендикулярному напрямку електричного струму відбувається зміна кількості заряду. Також дія електричного струму супроводжується виділенням енергії у вигляді теплового випромінювання і магнітними явищами. З відмінностей можна виділити перш за все електрохімічні перетворення в речовині, а також в більшості випадків, відсутність здатності екрануватися від зовнішніх електромагнітних полів.

Крім перерахованих відмінностей є одне важливе зауваження. Для існування електричного струму потрібен джерело. Важко знайти таке джерело з існуючих, який виділяв би іони, практично всі відомі джерела струму - це джерела вільних електронів. Це пов'язано з тим, що іони - це нестійкий стан атомів і молекул, на відміну від стабільних і всюдисущих електронів.

Коли через провідник, що складається з вільних іонів протікає електрику, де джерело на одному полюсі має надлишок електронів, а на іншому їх недолік, то неминуче вільні іони на одному полюсі отримують відсутні їм електрони і стають нейтральними, а на іншому полюсі мають надлишок електронів іони - віддають зайве і також стають нейтральними. Якщо висловлюватися мовою хімії, то тут відбувається реакція електрохімічного відновлення і окислення. Там де іонів видають відсутні електрони, буде катод ( «мінус»), а йдуть туди іони називаються катіонами. Там де віднімають у іонів, званих аніонами, зайве електрони, там буде анод ( «плюс»).

Катіони рухаються до катода. Аніони рухаються до анода. При позначенні полярності джерел живлення в даний час позначають саме катоди і аноди. Катод - це знак «мінус» на джерелі, а анод - знак «плюс» на джерелі. У провіднику, де вільні носії - електрони, які мають знак заряду (-). рух струму йде від катода до анода, тобто від «мінуса» до «плюса».

Це може здатися дивним, так як в літературі зазвичай стрілкою позначають напрям струму і воно показано як йде від «плюса» до «мінуса». Нехай це не вводить вас в оману. Справа в тому, що спочатку знаком «плюс» позначався надлишок електрики, а знаком «мінус» недолік. Електрика перетікав від того місця де його багато, туди, де його немає, але де його з нетерпінням чекають. До того ж електрику ділили на два види, позитивне і негативне. а потім був виявлений елементарний заряд - електрон, якому привласнили знак (-). У підсумку залишився один вид електрики - негативне. але полярність позначалися за звичкою як для позитивного електрики. Саме тому так і показую напрямок струму від «плюса» до «мінуса». хоча фактично рух зарядів йде на оборот.

Якщо є провідник, де є тільки аніони, то вони будуть рухатися в бік анода, якщо ж провідник має тільки катіони, то вони будуть рухатися в бік катода. Завжди навпаки, це як плюс до мінуса і мінус до плюса. Цілком може виявитися, що в провіднику є обидва типи іонів, тоді кожен з них рушить в свою сторону. У підсумку вийде рух в обох напрямках. Питається. Як бути з величиною сили струму? Ніби як виходить, що через перетин зайшло одне кількість зарядів (аніони), і вийшло інше кількість (катіони). В цьому випадку заряди підсумовуються з урахуванням їх знаків полярності.

Ще однією відмінністю від струму провідності є температурна залежність. Для металів збільшення температури погіршує їх провідність, опір металів при нагріванні збільшується. У разі провідних рідин залежність зворотна. Збільшення температури покращує рухливість іонів, при нагріванні провідних рідин їх опір зменшується.

Електроліти і розплави

Багато хімічні сполуки здатні розчинятися у воді. Таке розчинення називається електролітичної дисоціацією. Але дисоціація можлива і без участі води. Досить розплавити кристали хімічної сполуки і отримати розплав. Вода володіє феноменальною здатністю розчиняти в собі майже всі хімічні елементи. Світовий океан являє собою розчин іонів практично всієї таблиці елементів Менделєєва.

Кожному з вас доводилося вживати в їжу електроліти, вже хоча б тому, що ми солимо пишу, а розчин солі у воді і є електроліт. Однак, слід зауважити, що розчинення цукру у воді - це не електроліт, тому що не відбувається розпад молекули цукру на іони.

Шлунковий сік, кров, лімфа, всі рідини в організмі людини є електроліти. Ми з вами, тварини і рослини - все складаються з електролітів. А що ж таке електроліт? Електролітом називають розчин (зазвичай у воді) або розплав іонів. Всі електроліти прийнято називати провідниками другого роду. Розрізняють слабкі і сильні електроліти за ступенем дисоціації молекул. Більшість неорганічних кислот відноситься до сильних електролітів, а ось вода відноситься до слабкого електроліту. Проте, вода все ж вважається провідником другого роду. Дистильована вода погано проводить електрику, але варто тільки в ній розчинити солі, або ж додати в неї кислоту або луг, так її провідність поліпшується в рази.

Електроліти застосовуються в хімічних джерелах струму, таких як гальванічні елементи та акумулятори. У виробничих процесах гальваніки і електрохімії, також застосовуються електроліти і використовують електрохімічні процеси йдуть при протіканні електрики через рідини.

Розплави речовин точно також як водні електроліти є провідниками другого роду і можуть називатися електролітами. Для того, щоб отримати алюміній з глинозему, використовують їх розплави. Через глинозем пропускають електрику і відбувається процес електролізу і на одному з електродів виділяється алюміній. Це дуже енерговитратний процес, але він подібний до того як відбувається розкладання води на кисень і водень під дією електричного струму.

рідкі діелектрики

Не всі рідини є електролітами і не всі розплави міститимуть вільні іони. Якщо в розчині відсутні вільні іони і є лише незначна кількість вільних електронів, то цей розчин буде проводити електрику, через нього можливе проходження електричного струму, але такий розчин не можна назвати провідником другого роду і тим більше провідником першого роду. Така речовина буде вести себе як діелектрик і проявляти більше ізоляційні властивості, ніж провідність.