Здатність речовини проводити електричний струм називається. Загальні відомості. Речовини, водні розчини яких проводять електричний струм, називаються електролітами

речовини, водні розчини яких проводять електричний струм, Називаються електролітами. На відміну від металів, що мають електронну провідність і напівпровідників, що мають електронно-дірковий провідність, електроліти мають іонною провідністю.

Іноді електролітами називають і самі проводять розчини, хоча правильніше вираз - розчин електроліту.

Молекули води в незначній мірі розпадаються на іони:

Концентрація іонів водню визначає кислотність розчину, а концентрація іонів гідроксилу характеризує лужність розчину. У чистій воді концентрації іонів Н + і ВІН - рівні. Чиста вода дисоціює дуже слабо. В 1 моль води при 22º З розпадається на іони всього моль.

Однак отримати таку воду дуже важко, тому що в повітрі завжди присутня вуглекислий газ, який, розчиняючись воді, збільшує концентрацію водневих іонів. Так як вода має велику діелектричну проникність () і молекули води мають значний дипольний момент ( Кл ∙ м), То навколо молекул води на міжатомних відстанях ( нм) Існує досить сильне електричне поле. Останнє є безпосередньою причиною, що ослаблює силу електростатичного притягання іонів в молекулах розчиненої речовини. Тому в процесі розчинення солі або лугу за рахунок теплових зіткнень відбувається розпад молекул на аніони і катіони. Якщо молекули розчиненої речовини у воді не дисоціюють на іони, то розчин не є провідником. Наприклад, водні розчини цукрів, гліцерину - ізолятори.

Результатом дисоціації є утворення сольватов (гідратів), коли молекули води «обволікають» іони, утворюючи навколо них сольватную оболонку (рисунок 1).

Малюнок 1 сольватного оболонки: а - катіона; б - аніону

Для виникнення електричного струму в електроліті, необхідно в ванну з розчином електроліту опустити електроди з провідного матеріалу (метал, вугілля і т.п.), до яких підключити джерело струму (рисунок 2). Такий пристрій називається гальванічною або електролітичної ванній.

Малюнок 2 Електролітична ванна: 1 - ванна з розчином

мідного купоросу; 2 - катод; 3 - джерело струму; 4 – анод;

І - швидкості позитивних і негативних іонів

На іон в електроліті діють дві сили: сила з боку електричного поля і сила опору руху з боку середовища. Сила, що діє з боку електричного поля, обчислюється за формулою:

де - заряд іона, кл; - напруженість електричного поля,.

Сила, обумовлена \u200b\u200bвзаємодією молекул, які оточують іон, пропорційна швидкості:

де - коефіцієнт опору руху іонів в середовищі.

При русі іона в електроліті між силами швидко встановлюється рівновага і рух іона між електродами можна розглядати як рівномірний і прямолінійний, тому:

З (4) випливає:

Якщо позначити, то. коефіцієнт b називається рухливістю іонів. Фізичний сенс рухливості в тому, що вона характеризує швидкість іонів в електроліті при напруженості електричного поля Е = 1 .

Так як струм в електролітах являє собою впорядкований рух іонів обох знаків, обумовлене дією зовнішнього електричного поля, то щільність струму в електроліті визначається виразом:

, (6)

де n + І - - концентрації катіонів та аніонів; + І - - - швидкості їх дрейфу, + і - - їх заряди.

Відбуваються на катоді і на аноді окислювально-віднови-тільні реакції підкоряються законам Фарадея.

перший закон: Маса виділився на електроді речовини пропорційна Запобігати через електроліт заряду:

, (7)

де - електрохімічний еквівалент; I -сила струму, А; t -час, з.

Електрохімічні еквіваленти ряду елементів наведені в таблиці 1.

Таблиця 1 Значення електрохімічних еквівалентів

для деяких речовин

другий закон: Електрохімічні еквіваленти елементів прямо пропорційні їх хімічним еквівалентів:

де F- число Фарадея ( F \u003d96500 ); M- молярна маса виділився на електроді речовини; n - його валентність, - хімічний еквівалент.

Продукти електровідновлення або електроокислення іонів електроліту можуть вступити в хімічні реакції з розчином поблизу електрода. Такі процеси називаються вторинними реакціями.

Щоб розібратися в такому явищі як електропровідність речовини, спочатку потрібно зрозуміти, що таке електричний струм, так як ці два явища нерозривно пов'язані один з одним. Електричний струм являє собою впорядкований рух заряджених частинок, яке може відбуватися під впливом електричного поля.

Головна особливість електричного струму - його широке застосування в енергетиці. Це - єдиний вид енергії, який можна вільно передавати на великі відстань без будь-якої додаткової переробки.

Розглядаючи передачу енергії, потрібно торкнутися теми провідників, по яких передається струм. Зарядженими частинками можуть бути електрони, іони в електролітах і газах, в напівпровідниках такими частинками стають електрони і дірки. Дана особливість безпосередньо залежить від структури речовини або тіла. При цьому кожне тіло має власну електричну провідність.

Що таке електрична провідність?

Простими словами електрична провідність або електропровідність - це здатність або властивість речовини або тіла проводити електричний струм, який створюється під дією електричного поля.

це фізична величина, Яку можна виміряти, на основі якої дається характеристика того чи іншого провідника. Чим вище ця характеристика, тим краще тіло проводить струм.

Як вже було сказано, провідниками електричного струму виступають вільні заряджені частинки, а значить, електропровідність залежить від кількості таких вільних частинок. Чим більшою буде концентрація вільних заряджених частинок, тим краще речовина або тіло буде проводити електричний струм.

Основні групи провідників

Так як різні тіла мають різною кількістю вільних частинок, електропровідність у всіх відрізняється. За цим показником тіла можна розділити на три основні групи.

До першої групи належать провідники, у них найвища провідність. Такі тіла найкраще здатні проводити електричний струм. Однак провідники також можуть бути двох видів, відмінність полягає в особливостях протікання струму.

1. Перший вид провідників - метали. У них електронна провідність, так як струм протікає за рахунок великої кількості вільних електронів;

2. Другий вид провідників з високою електропровідністю - різні кислоти, лужні розчини і солі. Інше їх назва - електроліти. У них вільними зарядженими частинками є іони. Звідси і назва - іонна провідність.

Варто відзначити, що існують речовини змішаного типу, тобто, зарядженими частинками в них можуть бути як електрони, так і іони. Це можуть бути деякі гази.

Висока електропровідність металів легко з'ясовна при розгляді їх структури. В атомах металів валентні електрони можуть легко переміщатися від одного атома до іншого, так як вони слабо пов'язані з ядром. Таким чином, утворюється електричний струм.

електричний опір і швидкість протікання струму

Електропровідність тіла безпосередньо залежить від опору речовини, а її величина буде оберненопропорційна показником опору.

Електричний опір - це властивість будь-якого провідника; величина опору дорівнює відношенню напруги до сили струму, що протікає. Можна сказати, що чим вище напруга подається струму, тим вище швидкість протікання струму, однак опір провідника знижує цей показник.

Слід додати, що електричного поле, що породжує впорядкований рух частинок, а, отже, і електричний струм, поширюється в просторі зі швидкістю світла. Тобто, електричний струм протікає завжди зі швидкістю 300 тисяч кілометрів на секунду.

У чому ж тоді особливість швидкості руху? Справа в тому, що швидкість протікання струму дорівнює швидкості світла, проте окремі електрони можуть рухатися з різною швидкістю - від декількох міліметрів до декількох сантиметрів в секунду. Це, зрозуміло, не дуже велика швидкість.

Чому ж, існує подібна різниця і як пояснити швидкість поширення струму? Напруга струму якраз визначає швидкість руху окремих електронів - кілька міліметрів або сантиметрів в секунду.

Справа в тому, що кожен окремий електрон рухається в одному величезному потоці електронів, які повністю заповнюють провідник. І кожен електрон постійно взаємодіє з іншими електронами. Так відбувається під час проходження електричного струму.

Тому окремий електрон рухається вкрай повільно, проте, швидкість поширення енергії в електричному провіднику буде дуже висока. Відповідно, чим більше буде кількість вільних частинок, тим краще буде їх взаємодія, а значить, вище буде швидкість поширення струму і швидкість передачі електричної енергії.

Здатність речовини проводити електричний струм називається електропровідністю.

За електропровідності все речовини діляться на провідники, діелектрики і напівпровідники.

Провідники мають високу електропровідність. Розрізняють провідники першого і другого роду. До провідникам першого роду відносяться всі метали, деякі сплави і вугілля. Вони володіють електронною провідністю. До провідників другого роду відносяться електроліти. У них має місце іонна провідність.

У провідниках відсутня електростатичне поле (ріс.1.10б).

Якщо провідник помістити в електростатичне поле, то під дією цього поля відбувається переміщення зарядів в провіднику: позитивних - в напрямку зовнішнього поля, негативних - в протилежному напрямку (рис.1.10). Такий поділ зарядів в провіднику під дією зовнішнього поля називається електростатичного індукції . Розділені всередині провідника заряди створюють своє електричне поле, спрямоване від позитивних зарядів до негативних, тобто проти зовнішнього поля (рис.1. 10а).

Очевидно, поділ зарядів в провіднику припиниться тоді, коли напруженість поля розділених зарядів E

внутр стане рівною напруженості зовнішнього поля в провіднику Eвнешн, тобто Eвнутр \u003d Eвнешн, а результуюче поле

Е \u003d Eвнутр - Eвнешн \u003d 0

Таким чином, результуючий поле всередині провідника стане рівним нулю

(Рис.1. 10б). На цьому принципі працює електростатичний екран, який захищає частину простору від зовнішніх електричних полів (рис.1. 11). Для того щоб зовнішні електричні поля не впливали на точність електровимірювання, вимірювальний прилад поміщають всередину замкнутої провідної оболонки (екран), в якій електростатичне поле відсутнє.

1.4. Електропровідність. Діелектрики в електричному полі

Електропровідність діелектриків практично дорівнює нулю в силу вельми сильною зв'язку між електронами і ядром атомів діелектрика.

Якщо діелектрик помістити в електростатичне поле, то в ньому відбудеться поляризація атомів, тобто зміщення різнойменних зарядів в самому атомі, але не поділ їх (рис. 1.12а). Поляризований атом може розглядатися як електричний диполь (рис. 1.12б), в якому «центри тяжіння» позитивних і негативнихзарядів зміщуються.

Диполь - це система двох різнойменних зарядів, розташованих на малій відстані один від одного в замкнутому просторі атома або молекули.

Електричний диполь - це атом діелектрика, в якому орбіта електрона витягується в напрямку, протилежному напрямку зовнішнього поля Eвнешн (рис. 1.12б). Поляризовані атоми створюють своє електричне поле, напруженість якого спрямована проти зовнішнього поля. В результаті поляризації результуюче поле всередині діелектрика послаблюється. Інтенсивність поляризації діелектрика залежить від його діелектричної проникності. Чим вона більше, тим інтенсивніше поляризація в діелектрику і тим слабкіше електричне поле в ньому.

Е \u003d Eвнешн - Eвнутр

Якщо діелектрик помістити в сильне електричне поле, напруженість якого можна збільшувати, то при якомусь значенні напруженості відбудеться пробій діелектрика, при цьому електрони відриваються від атома, тобто відбувається іонізація діелектрика, і він стає провідником. Напруженість зовнішнього поля, при якій відбувається пробій діелектрика, називається пробивною напруженістю діелектрика. А напруга, при якому відбувається пробій діелектрика, називають напругою пробою, або електричною міцністю діелектрика.

Електричний струм. У речовині, вміщеному в електричне поле, під дією сил поля виникає процес руху елементарних носіїв електрики - електронів або іонів. Рух цих електрично заряджених частинок матерії називають електричним струмом.
За одиницю сили струму прийнятий ампер (А). Це такий струм, при якому через поперечний переріз провідника щосекунди проходить кількість електрики, рівне 1 Кл. Силу струму іноді вимірюють тисячними частками ампера - міліампер (мА) або мільйонними частками ампера - мікроамперах (мкА), а при великих значеніях- тисячами ампер - кілоампер (кА), в формулах ток позначають буквою I (i).
В електротехніці широко застосовують як постійний, так і змінний струм. Постійним називають струм, значення і напрямок якого в будь-який момент часу залишаються незмінними (рис. 9, а).
Токи, значення і напрямок яких не залишаються постійними, називають змінними, або змінними. Найчастіше в електротехнічних пристроях використовують струм, що змінюється за синусоїдальним законом, який отримують від генераторів змінного струму і трансформаторів (рис. 9, б). Від випрямлячів отримують пульсуючий струм (рис. 9, в), незмінний у напрямку, але міняється по величині.

Електропровідність. Властивість речовини проводити електричний струм під дією електричного поля називають електропровідністю. електропровідність різних речовин залежить від концентрації вільних (т. е. не пов'язаних з атомами, молекулами або кристалічної структурою) електрично заряджених частинок. Чим більше концентрація цих частинок, тим більше електропровідність даної речовини. Всі речовини в залежності від електропровідності ділять на три групи: провідники, діелектрики (ізолюючі матеріали) і напівпровідники.
Провідники мають дуже високу електропровідність. Існують два роду провідників, які розрізняються фізичною природою протікання електричного струму. До провідникам першого роду відносяться метали. Проходження по ним струму обумовлено рухом вільних електронів, внаслідок чого їх називають провідниками з електронною провідністю. Провідниками другого роду є розчини кислот, лугів і солей (в основному водні), звані електролітами. Проходження струму через електроліти пов'язано з рухом електрично заряджених частин молекул - позитивних і негативних іонів, т. Е. Електроліти є провідниками з іонною провідністю.
Є також речовини зі змішаною провідністю, в яких струм переноситься електронами і іонами. До них відносяться, наприклад, гази і пари в іонізованому стані.
Фізична природа електропровідності металів. Висока електропровідність металів добре пояснюється на основі електронної теорії. Відповідно до цієї теорії валентні електрони порівняно слабо пов'язані з їх ядрами. Тому вони вільно переміщаються між атомами, переходячи зі сфери дії одного атома в сферу дії іншого і заповнюючи простір між ними на зразок газу. Ці електрони прийнято називати вільними.
Вільні електрони / знаходяться в стані хаотичного руху (рис. 10, а). Однак якщо внести металевий провідник в електричне поле, то вільні електрони під дією сил поля почнуть переміщатися в бік позитивного полюса (рис. 10, б), створюючи електричний струм. Таким чином, електричним струмом в металевих провідниках називається впорядкована (спрямований) рух вільних електронів.

Металоїди мають на зовнішній оболонці велика кількість електронів і вони міцно утримуються близько своїх ядер. Тому металоїди, як правило, є діелектриками.
Швидкість проходження струму.Електричне поле поширюється в просторі з величезною швидкістю - 300 000 км / с, т. Е. Зі швидкістю світла. З такою ж швидкістю проходить і електричний струм в провіднику. Однак кожен окремий електрон рухається в середньому по провіднику зі швидкістю кілька міліметрів або сантиметрів в секунду (ця швидкість залежить від напруженості електричного поля).
Чим же пояснити таку швидкість поширення електричного струму? Причина в тому, що кожен електрон знаходиться в загальному електронному потоці, що заповнює провідник, і при проходженні електричного струму відчуває безперервне вплив з боку сусідніх електронів. Тому, хоча сам електрон рухається повільно, швидкість передачі руху від одного електрона до іншого (швидкість поширення електричної енергії) буде величезна. Наприклад, при включенні рубильника на електростанції практично миттєво з'являється струм в кожній ділянці електричного кола цілого міста, незважаючи на незначну швидкість руху електронів.