Oncool.ru

Строй журнал
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Прохождение электрического тока через диэлектрик

Физика. 10 класс

Электролиз

Электрический ток в жидкостях

Необходимо запомнить

Жидкости по степени электропроводности делятся на:

— диэлектрики (дистиллированная вода);

— полупроводники (расплавленный селен).

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

Электролитическая диссоциация – распад молекул электролита на ионы при растворении в воде или расплавлении.

Степень диссоциации – отношение числа молекул, распавшихся на ионы, к общему числу молекул, растворённого вещества. Степень диссоциации измеряется в долях или процентах.

Электропроводимость электролитов – ионная. Прохождение электрического тока связано с переносом вещества.

Явление электролиза – это выделение на электродах веществ, входящих в электролиты, в процессе окислительно-восстановительных реакций, которое возникает при прохождении через электролиты электрического тока.

Закон электролиза:

$m = m_0 cdot N = frac cdot frac = frac = k cdot I cdot t$

$m = k cdot I cdot t$

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.

m – масса выделившегося вещества,

NA – число Авогадро,

M – молярная масса,

I – сила тока,

e – заряд электрона,

n – число ионов.

Применение электролиза:

— получение чистых металлов (очистка от примесей);

— гальваностегия (никелирование, хромирование и т. д.);

— гальванопластика, т. е. получение отслаиваемых покрытий (рельефных копий).

Лабораторная работа «Определение элементарного заряда методом электролиза»

Техническое применения электролиза

Гальваностегия – покрытие металлических изделий тонким слоем другого металла (никелирование, хромирование, серебрение, золочение и т. д.) с целью предохранения от окисления и придания изделию привлекательного внешнего вида. Предмет, подлежащий покрытию, тщательно очищают, хорошо обезжиривают и помещают в качестве катода в электролитическую ванну, содержащую раствор соли того металла, которым должен быть покрыт данный предмет. Анодом служит пластинка из того же металла. Для более равномерного покрытия обычно применяют две пластинки в качестве анода, помещая предмет между ними.

Гальванопластика – электролитическое изготовление копий с рельефных предметов (медалей, гравюр, барельефов и т. д.). С рельефного предмета делают восковый или иной слепок. Затем поверхность слепка покрывают тонким слоем графита, чтобы она стала проводящей. В таком виде слепок используется в качестве катода, который опускают в электролитическую ванну с раствором медного купороса. Анодом служит медная пластинка. Когда на слепке нарастет достаточно толстый слой меди, электролиз прекращают и воск осторожно удаляют. Остается точная медная копия оригинала.

В полиграфической промышленности такие копии (стереотипы) получают с оттиска набора на пластичном материале (матрица), осаждая на матрицах толстый слой железа или другого материала. Это позволяет воспроизвести набор в нужном количестве экземпляров. Если раньше тираж книги ограничивался числом оттисков, которые можно получить с одного набора (при печатании набор стирается), то использование стереотипов позволяет значительно увеличить тираж.

Правда, в настоящее время с помощью электролиза получают стереотипы только для книг высококачественной печати и с большим числом иллюстраций.

Осаждая металл на длинный цилиндр, получают трубы без шва.

Процесс получения отслаиваемых покрытий был разработан русским учёным Якоби Б.С., который в 1836 г. применил этот способ для изготовления полых фигур для Исаакиевского собора (в Санкт-Петербурге).

Рафинирование меди

Медь является лучшим материалом для изготовления проводников, но для этого она должна быть лишена каких бы то ни было примесей. Очищение меди от примесей называется рафинированием (очисткой) меди. Массивные куски (толстые листы) неочищенной меди, полученной при выплавке из руды, являются анодом, а тонкие пластинки из чистой меди – катодом. Процесс происходит в больших ваннах с водным раствором медного купороса. При электролизе медь анода растворяется; примеси, содержащие ценные и редкие металлы, выпадают на дно в виде осадка (шлама), а на катоде оседает чистая медь. Таким же образом производят рафинирование некоторых других металлов.

Получение алюминия

При помощи электролиза получают алюминий. Для этого подвергают электролизу не растворы солей этого металла, а его расплавленные оксиды.

В угольные тигли насыпают глинозём (оксид алюминия Аl2O3), полученный путем переработки бокситов – руд, содержащих алюминий. Тигель служит катодом. Анодом являются угольные стержни, вставленные в тигель. Сначала угольные стержни опускают до соединения с тиглем и пропускают сильный ток. Глинозём при прохождении тока нагревается и расплавляется. После этого угли поднимают, ток проходит через жидкость и производит электролиз. Расплавленный алюминий, выделяющийся при электролизе, опускается на дно тигля (катод), откуда его через особое отверстие выпускают в формы для отливки.

Описанный способ получения алюминия сделал его дешевым и наряду с железом самым распространенным в технике и быту металлом.

Путем электролиза расплавленных солей в настоящее время получают также натрий, калий, магний, кальций и другие металлы.

Электролиз используется для гальваностегии, гальванопластики, рафинирования меди, получения алюминия и других целей.

ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ, изоляторы – газообразные, жидкие или твердые материалы, которые не проводят электрический ток.

Газообразные изоляторы.

Коронный разряд.

Одним из наиболее известных и распространенных изоляторов является воздух при атмосферном давлении и нормальной температуре. Для низких напряжений удельное электрическое сопротивление такого воздуха составляет ок. 10 18 ОмЧсм. Когда напряженность электрического поля поперек однородной воздушной щели достигает 30 кВ/см, проводимость увеличивается, так как начинается фотоионизация воздуха и в конце концов между электродами проскакивает искра. Если геометрия электродов разнородна, как, например, в случае острия и плоскости или провода линии электропередачи над поверхностью земли, вокруг острия или провода при достаточно большой напряженности электрического поля возникает светящаяся область ионизованного воздуха, называемая коронным разрядом. Ток коронного разряда возрастает с увеличением напряжения, и в конце концов возникает искра или дуга в зависимости от мощности источника и сопротивления внешней цепи.

Читать еще:  Высота розетки для встроенного духового шкафа

Электрическая прочность.

Повышение давления воздуха приводит к увеличению напряжения коронного разряда и напряженности электрического поля, при которой происходит пробой для рассматриваемой системы электродов. Согласно закону Пашена, в однородном электрическом поле напряжение пробоя не изменится, если при уменьшении межэлектродного зазора во столько же раз увеличить давление газа в зазоре. Такие распространенные газы, как азот, кислород и двуокись углерода, по своей изолирующей способности близки к воздуху при атмосферном давлении. Некоторые пары, особенно те, что содержат серу, хлор или фтор, такие, как гексафторид серы (SF6), четыреххлористый углерод (CCl4) и фреон-12 (CCl2F2), имеют втрое большую электрическую прочность, чем воздух при том же давлении. Влияние давления на напряжение пробоя для некоторых материалов показано на рисунке.

Электроизолирующие свойства газов оказываются наихудшими при давлениях от 1 до 0,01 кПа. Прохождение тока через газ при таких давлениях сопровождается ярким свечением (например, в ртутных или неоновых лампах). Это явление называется тлеющим разрядом.

Жидкие диэлектрики.

Органические соединения, в частности углеводороды, широко используются в качестве жидких диэлектриков. Для углеводородов характерны низкая диэлектрическая проницаемость (от 2 до 4) и умеренно высокое удельное электрическое сопротивление (ок. 10 12 ОмЧсм). Поскольку углеводороды не содержат кислорода или азота, они являются химически стабильными и поэтому подходят для использования в сильных электрических полях, в которых процессы ионизации усиливают химическую нестабильность. Примерами жидких диэлектриков могут служить циклические углеводороды, такие, как бензол (C6H6), или ациклические соединения типа гексана [CH3 (CH2)4CH3]. Большинство углеводородов встречаются в виде смесей; химический состав и строение входящих в них компонентов точно не известны. К ним относятся, в порядке возрастания вязкости, петролейный эфир, парафиновое масло, трансформаторные масла, парафин и различные воски.

Некоторые галогенопроизводные продукты, такие, как хлороформ (CHCl3) и четыреххлористый углерод (CCl4), являются диэлектриками. К жидким неорганическим диэлектрикам относятся такие сжиженные газы, как двуокись углерода и хлор.

Важным преимуществом жидких диэлектриков является их способность к восстановлению своих свойств после искрового пробоя и способность проводить тепло, что важно для трансформаторов.

Твердые диэлектрики.

К типичным твердым электроизоляционным материалам относятся фарфор, стекло, кварц, натуральная и синтетическая резина и пластики. Тонкие слои твердых изоляторов могут иметь очень высокие значения напряжения пробоя и удельного электрического сопротивления, что видно из приводимой ниже таблицы.

Повышение приложенной разности потенциалов к рассматриваемому образцу твердого или жидкого диэлектрика увеличивает ток через него. Это увеличение приводит к отрыву электронов и образованию пространственного положительного заряда вблизи катода. Электрический пробой является результатом искажения электрического поля внутри изолятора. Как твердые, так и жидкие диэлектрики подвержены поляризации, т.е. их диэлектрическая постоянная больше единицы. Поляризация приводит к появлению диэлектрических потерь при приложении переменных электрических полей. Некоторые материалы, такие, как кварц, полиэтилен и некоторые газы, имеют очень низкие диэлектрические потери даже в высокочастотных электрических полях.

Таблица: Свойства твердых диэлектриков

СВОЙСТВА ТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ
МатериалЭлектрическая прочность, кВ/смДиэлектрическая проницаемостьУдельное электрическое сопротивление, 10 14 ОмЧсм
Слюда2805,0–7,02000
Стекло (разное)200–7003,0–12,010 –6 ё10 4
Метилметакрилат (люсит)6503,3–4,51
Фарфор (неглазурованный)1305,0–7,03
Эбонит6502,0–3,510 4

Вакуум как изолятор.

Когда металлические электроды помещены в газ с давлением меньше 10 -2 Па, молекул газа недостаточно для образования заметного тока в межэлектродном зазоре, и в этом случае говорят об изоляции высоким вакуумом. Ионизация молекул остаточного газа при соударении с электронами или положительно заряженными ионами, вылетающими с электродов, при таких давлениях происходит редко. В условиях высокого вакуума при постоянном напряжении ниже 20 кВ на поверхности катода пробой может не наступать при напряженности поля до 5 МВ/см, а на аноде – при напряженности в несколько раз большей. Однако при более высоких напряжениях катодный градиент, при котором наступает пробой, быстро уменьшается. Пробой между металлическими электродами в вакууме происходит из-за обмена заряженными частицами между катодом и анодом. Электрон, вылетающий из катода, ускоряется электрическим полем и ударяет в анод, выбивая положительные ионы и фотоны. Положительные ионы и часть фотонов попадают на катод; ионы ускоряются электрическим полем и вызывают эмиссию вторичных электронов. При некотором критическом значении напряжения и градиента электрического поля для данного материала электродов этот процесс становится неустойчивым, и происходит искровой пробой.

Изоляция высоким вакуумом особенно широко применяется в электронике как для ускорения электронов низкой энергии в обычных электровакуумных приборах, так и для высоковольтных приложений в рентгеновских приборах и ускорителях для ядерных исследований.

Конденсаторы.

Диэлектрики находят широкое применение в конденсаторах. Конденсаторы имеют многообразные применения, среди которых накопление электрического заряда, нейтрализация эффектов индуктивности в цепях переменного тока и получение импульсов тока для различных приложений. Емкость конденсатора часто может быть рассчитана исходя из конфигурации системы или измерена путем определения величины заряда на одной из обкладок конденсатора при приложении заданного напряжения между обкладками. Энергия заряженного конденсатора равна 1/2 CE 2 и выражается в микроджоулях (мкДж), если С выражено в микрофарадах (мкФ), а Е – в вольтах (В).

Читать еще:  Какими могут быть розетки расположенные

Низковольтные конденсаторы.

Для слаботочных и низковольтных приложений, таких, как радио- и телефонные сети и низковольтные выпрямители, конденсаторы изготавливаются обычно из слоев алюминиевой или другой металлической фольги, разделенных диэлектриком из одного или нескольких слоев пропарафиненной бумаги. Очень компактный низковольтный конденсатор – т.н. электролитический – изготавливается нанесением (посредством электролитического осаждения) тонкой изолирующей оксидной пленки на поверхность металлической фольги; при этом достигается достаточно высокая емкость на единицу площади поверхности конденсатора. Полученный материал наматывается в виде обмотки компактных размеров.

Высоковольтные конденсаторы.

В конденсаторах для высоких напряжений, которые используются в радиопередающих устройствах, в качестве изолятора часто применяется слюда. Конденсаторы для очень высоких напряжений обычно изготавливаются из металлической фольги с большим числом слоев диэлектрической бумаги, помещенных в заполненный маслом контейнер, или из металлических пластин, разделенных газообразным или жидким диэлектриком. В таких конструкциях для высокочастотных конденсаторов, в которых важно иметь низкие диэлектрические потери, в качестве диэлектрика используется и вакуум.

Хусаинова Г.З. Электроизоляционные материалы. М., 1975
Астахин В.В. и др. Электроизоляционные лаки, пленки и волокна. М., 1986

Прохождение электрического тока через диэлектрик

Выясним, что происходит в диэлектрике, когда он попадает в электрическое поле. Как известно, в диэлектрике отсутствуют свободные носители, зарядов. Все электрические заряды диэлектрика входят в состав его молекул и могут смещаться лишь на очень малые расстояния: в пределах молекулы или атома.

Поскольку диэлектрик уменьшает силу взаимодействия зарядов, т. е. ослабляет электрическое поле (§ 14.7), то можно заключить, что смещение зарядов внутри молекул диэлектрика действительно происходит.

Выясним механизм этого явления.

Сначала представим себе атом, диаметр ядра которого имеет размер порядка Тогда его электронное облако — (в первом приближении предположим, что оно сферическое) будет иметь радиус порядка Из сравнения размеров ядра и электронного облака видно, что ядро атома вполне можно принять за точку, которая находится в центре облака. Если этот атом попадет в

электрическое поле с напряженностью Е, то облако сместится против направления Е на некоторое расстояние относительно ядра (рис. 15.19).

Поскольку ядро в несколько тысяч раз массивнее электрона, а последний движется в атоме с очень большой скоростью (порядка ядро реагирует только на среднюю силу притяжения к электронам в атоме. Поэтому можно считать, что весь отрицательный заряд облака сосредоточен в его центре, а весь атом, находящийся в электрическом поле, можно уподобить системе двух равных по величине и противоположных по знаку зарядов которые расположены на расстоянии Такую систему называют диполем. Следовательно, когда атом попадает во внешнее электрическое поле, то он превращается в электрический диполь, который создает свое электрическое поле, ослабляющее внешнее поле в диэлектрике (рис. 15.20).

Произведение называется электрическим моментом диполя. Электрический момент есть вектор, направленный вдоль I от отрицательного заряда к положительному (рис. 15.21), модуль которого определяется соотношением

Оказывается, что электрический момент молекул, обусловленный смещением электронных облаков относительно ядер, прямо пропорционален напряженности поля Е, т. е.

(а называется электронной поляризуемостью молекулы). Тогда чем больше напряженность внешнего поля тем больше становятся электрические моменты диполей в диэлектрике.

При этом все векторы электрических моментов молекул диэлектрика оказываются направленными параллельно Е. Такой диэлектрик называется поляризованным, а его диполи называются мягкими, так как их длина зависит от Е.

Поляризация диэлектрика, обусловленная смещением электронных облаков в молекулах относительно ядер, называется электронной поляризацией. Она наблюдается в любом диэлектрике и интересна тем, что не зависит от температуры.

Если в молекуле нет центра симметрии, то она обладает собственным электрическим моментом и при отсутствии поля в диэлектрике (рис. 15.22). Поскольку атомы в такой молекуле жестко связаны, можно считать, что ее электрический момент не зависит от внешнего поля в диэлектрике. Такие диполи принято называть жесткими. На рис. 15.22 изображены две возможные конфигурации молекулы типа а — неполярная молекула, результирующий дипольный момент равен нулю, б — полярная молекула, результирующий дипольный момент определяется векторной суммой дипольных моментов отдельных связей. Природными диполями являются, например, молекулы воды, в которых атомы расположены, как на рис. 15.22, б (связи ОН образуют угол 105°).

В отсутствие внешнего поля природные диполи расположены хаотически, поэтому их поля взаимно скомпенсированы. Однако если внести такой диэлектрик во внешнее поле, то на каждый диполь будет действовать пара сил (рис. 15.23, а).

Поэтому жесткие диполи поворачиваются, а в сильном поле даже выстраиваются цепочками вдоль линий напряженности поля (рис. 15.23, б). Диполи при этом создают собственное поле (рис. 15.23, в), ослабляющее внешнее поле в диэлектрике. Это явление называется ориентационной или дипольной поляризацией диэлектрика. Легко сообразить, что ориентационная поляризация должна уменьшаться при повышении температуры диэлектрика, так как хаотическое движение диполей нарушает их упорядоченное расположение в поляризованном диэлектрике.

В кристаллических диэлектриках, имеющих ионное строение, наблюдается еще и третий тип поляризации. Под влиянием внешнего поля положительные ионы диэлектрика смещаются по направлению вектора напряженности, а отрицательные ионы — в обратную сторону. Такое явление называется ионной поляризацией диэлектрика.

Читать еще:  Розетка надплинтусная старого образца

На рис. 15.23, б видно, что разноименно заряженные концы соседних диполей должны взаимно нейтрализовать свои воздействия на другие заряды. Нескомпенсированными остаются только заряды на концах диполей, выступающих на поверхность диэлектрика. При этом с той стороны, где линии напряженности внешнего поля входят в диэлектрик, находятся отрицательные заряды диполей, а на противоположном конце — положительные заряды. Все заряды на поверхности поляризованного диэлектрика являются связанными, т. е. входят в состав молекул. Их называют поляризационными зарядами. Все влияние

поляризованного диэлектрика на электрическое поле сводится к действию только его поляризационных зарядов. Это справедливо для всех типов поляризации.

Поле внутри диэлектрика, созданное его поляризационными зарядами, направлено навстречу внешнему полю (рис. 15.23, в), т. е. ослабляет внешнее поле, но полностью не уничтожает его (сравните с проводником). Отличие от проводника здесь проявляется еще и в том, что, разделяя поляризованный диэлектрик на части, нельзя отделить положительные заряды от отрицательных. На противоположных сторонах каждой части поляризованного диэлектрика при этом всегда остаются заряды различных знаков. Это доказывает, что поляризационные заряды диэлектрика действительно являются связанными, т. е. входят в состав диполей.

Ослабление поля в диэлектрике, обусловленное его поляризацией, объясняет влияние диэлектрика на силу взаимодействия между наэлектризованными телами. Действительно, если два заряда поместить в диэлектрик, то он поляризуется и вокруг зарядов появляются поляризационные заряды, что равноценно уменьшению зарядов (рис. 15.24), а значит, и силы их взаимодействия.

Теперь становится понятным, почему сила взаимодействия между зарядами имеет наибольшую величину в вакууме и почему в формулу закона Кулона входит диэлектрическая проницаемость среды.

Отметим, что при достаточно большом значении напряженности электрического поля в диэлектрике может происходить разрушение его диполей. При этом внутри диэлектрика появляются свободные заряды, которые при своем движении вызывают механическое разрушение диэлектрика. Такое явление называется пробоем диэлектрика. Примером пробоя может служить электрический разряд в виде молнии во время грозы.

Электротерапия, электрический ток и биоткани

После опытов Гальвани над мышцей лягушки в 1791 г. начина­ется изучение гальванизации и применение постоянного тока для лечения заболеваний.

Электрический ток представляет собой направленное движение электрически заряженных частиц: электронов в металлических проводниках и ионов в электролитах (растворы кислот, солей, ос­нований).

Электрический ток представляет собой направленное движение электрически заряженных частиц: электронов в металлических проводниках и ионов в электролитах (растворы кислот, солей, ос­нований).

Способность веществ проводить электрический ток называется электропроводностью.

Существуют проводники, полупроводники и диэлектрики.

Проводники делятся на:

1) проводники I рода: в них происходит однонаправленное дви­жение электронов от « + » к «-» (это металлы);

2) проводники II рода: в них происходит разнонаправленное дви­жение электронов, ионов (противоположно направленное).

Биотка­ни — это проводники II рода.

При наличии разницы электрического напряжения на двух то­ках металлического проводника электрический ток пойдет в нем от точки, имеющей большой потенциал, к точке с меньшим потен­циалом (ток течет). Если эта разница напряжения между точками будет поддерживаться некоторое время, то ток получит одно на­правление в течение всего этого времени, т.е. по проводнику уста­новится течение постоянного тока. Он будет иметь и постоянную силу в случае, когда разница потенциалов, т.е. электродвижущая сила (напряжение), не будет изменяться.

Ток, который не меняет своего направления и силы, получил название гальванического тока, или постоянного тока, и графичес­ки изображается в виде прямой линии (рис. 2.1). При прохожде­нии постоянного тока через тело человека возникает постоянное электрическое иоле, т.е. человеческий организм становится слож­ным электрическим проводником. Организм в целом, а также его различные ткани представляют собой сложный электролитический раствор. Величина электропроводности зависит от содержания в тканях жидкости.

Жидкие среды организма: кровь, лимфа, моча, спинномозговая жидкость — обладают наибольшей электропроводностью.

К хорошим проводникам также относятся внутренние органы и мышечная ткань, а к плохим — кость, жировая ткань.

Большим сопротивлением проводимости обладает кожа, особенно ее роговой слой. В коже ток проходит в основном через протоки потовых и сальных желез, межклеточные пространства эпидермиса.

Рис. 2.1. Графическое изображение постоянного и импульсного токов.

Прохождение электрического тока через ткани организма свя­зано с переносом вещества. Ионы тканей человека, когда соприка­саются с проводниками I рода (металлические пластины аппара­та — электроды), превращаются в нейтральные атомы, так как те­ряют свой заряд. Происходит процесс электролиза: молекулы, по­теряв свой заряд, распались на атомы, и эти атомы вступают в реакцию с другими атомами, в других сочетаниях, образуя совер­шенно другие вещества — продукты электролиза.

Электрический ток характеризуется, прежде всего, количеством зарядов, протекающих через поперечное сечение проводника в еди­ницу времени. Для обозначения этого количества зарядов пользу­ются понятием силы тока. За единицу силы тока принят ампер. В электролечении чаще приходится иметь дело с тысячными доля­ми ампера — миллиамперами.

Для того чтобы электрические заряды перемещались между дву­мя точками проводника, необходимо, чтобы между ними существо­вала разница потенциалов — напряжение. За единицу разницы по­тенциалов принят вольт.

Но каждый проводник еще и обладает сопротивлением. За еди­ницу сопротивления принят Ом. 1 Ом — сопротивление проводни­ка, по которому при разнице потенциалов в 1 Вольт течет ток си­лой 1 Ампер. Согласно Закону Ома сила тока прямо пропорциональ­на напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению про­водника.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector