Лекция дисциплина физика

• Название: Лекция дисциплина физика
• Дата: 24.09.2022
• Размер: 1.39 Mb.
• Имя файла: Л9.pptx
• Тип: Лекция; #693457

Раздел III. Электричество и магнетизм Тема 14. Токи в жидкостях и газах. Эмиссионные явления

Лекция

дисциплина «ФИЗИКА»

Краснодар

2021

• Цель лекции: ознакомиться с основными особенностями протекания токов в жидкостях и газах
• Материально-техническое обеспечение: компьютер, видеопроектор, экран
• Учебно-методическое обеспечение: учебно-методический материал в электронном виде

Рекомендуемая литература

а) нормативные правовые акты:

По данной учебной дисциплине использование нормативно-правовых актов не предусмотрено.

б) основная литература:

Ташлыкова-Бушкевич И.И. Физика. Часть 1. Механика. Молекулярная физика и термодинамика. Электричество и магнетизм [Электронный ресурс] : учебник / И.И. Ташлыкова-Бушкевич. — Электрон. текстовые данные. — Минск: Вышэйшая школа, 2014. — 304 c. — Режим доступа: http://www.iprbookshop.ru/35562.html

Ташлыкова-Бушкевич, И.И. Физика. Часть 2. Оптика. Квантовая физика. Строение и физические свойства вещества [Электронный ресурс] : учебник / И.И. Ташлыкова-Бушкевич. — Электрон. текстовые данные. — Минск: Вышэйшая школа, 2014. — 232 c. — Режим доступа: http://www.iprbookshop.ru/35563.html

Никеров, В.А. Физика : современный курс: [Текст]: учебник / В.А. Никеров. – М.: Издательско-торговая корпорация «Дашков и К°», 2016. – 452 с.

в) дополнительная литература:

Кузнецов, С.И. Курс физики с примерами решения задач [Текст]: учеб. пособие. Ч. 3. Оптика. Основы атомной физики и квантовой механики. Физика атомного ядра и элементарных частиц / С.И. Кузнецов.– 4-е изд., перераб. и доп.– СПб.: Лань, 2015.

Кузнецов, С.И. Курс физики с примерами решения задач [Текст]: учеб. пособие. Ч. 1. Механика. Молекулярная физика. Термодинамика / С.И. Кузнецов.– 4-е изд., перераб. и доп.– СПб.: Лань, 2015.

Трофимова, Т.И. Руководство к решению задач по физике [Текст]: учеб. пособие / Т.И. Трофимова.– 2-е изд., перераб. и доп.– М.: Юрайт, 2013.

План

1. Диссоциация молекул в растворах

2. Электролиз. Законы Фарадея

3. Виды газового разряда.

4. Электрический ток в вакууме.

5. Фотоионизация.

6. Термоэлектрические явления

Вещества, в которых при прохождении тока происходят химические превращения, называются проводниками второго рода или электролитами.

Носителями тока в электролитах служат ионы, на которые диссоциируют (расщепляются) в растворе молекулы растворенного вещества.

Проводники

I рода (металлы)

II рода (электролиты)

При таком расположении молекул растворителя создаваемое ими поле ослабляет связь между разноимёнными ионами молекулы растворенного вещества, вследствие чего эта связь может оказаться разорванной за счет энергии теплового движения. В этом случае молекула разделяется на два или большее количество ионов разных знаков (диссоциирует).

Если ионы разных знаков сблизятся на достаточно малое расстояние, они могут объединиться снова в молекулу. Этот процесс называется рекомбинацией (или молизацией) ионов.

сплошной контур - молекула растворенного вещества, пунктирными контурами - молекулы растворителя

Равновесному состоянию соответствует определенная степень диссоциации, которую характеризуют коэффициентом диссоциации α, показывающим, какая часть молекул растворенного вещества находится в диссоциированном состоянии.

Если количество молекул растворенного вещества, содержащихся в единице объема раствора, равно п, то п'=αп молекул будут находиться в растворе в виде ионов и п" =(1-α)п - в виде недиссоциированных молекул.

2. Электролиз. Законы Фарадея

Положительно заряженные ионы движутся к катоду - катионы.

Отрицательные ионы движутся к аноду - анионы.

Явление выделения на электродах составных частей электролита при прохождение через него тока называется электролизом.

2. Электролиз. Примеры

1. Водный раствор соляной кислоты.

Молекула НСl диссоциирует в растворе на положительно заряженный ион водорода Н+ и отрицательно заряженный ион хлора Сl-: .

Подойдя к аноду, ионы хлора отдают ему избыточные электроны и превращаются в нейтральные атомы хлора, которые сразу же объединяются попарно в молекулы:

.

Атомы водорода, нейтрализовавшись на катоде, объединяются попарно в молекулы Н2: .

В процессе электролиза расходуется растворенное вещество, а на электродах выделяются газообразные хлор и водород. Вторичных реакций в этом случае не происходит.

2. Электролиз. Примеры

2. Электролит — раствор серной кислоты в воде.

Молекула H2SO4 диссоциирует в растворе на два положительных однозарядных иона водорода и двухзарядный отрицательный ион SO4--:

.

На электродах протекают следующие процессы:

,

.

Водород выделяется в виде пузырьков на катоде. Нейтральная же группировка атомов S04 химически очень активна и вступает во вторичную реакцию. Если электроды изготовлены, например, из платины или никеля, SO4 реагирует с водой:

Молекула серной кислоты поступает в раствор, кислород выделяется в виде пузырьков на аноде. В итоге происходит разложение воды с выделением ее составных частей. Вторичная реакция в этом случае протекает с растворителем.

2. Электролиз. Примеры

3. Медные электроды погружены в водный раствор медного купороса.

Диссоциация протекает по схеме .

Нейтрализовавшиеся атомы меди отлагаются в виде твердого осадка на катоде. Нейтральная группировка SO4 предпочтительнее вступает в реакцию с медью, чем с водой. Поэтому вторичная реакция идет с материалом анода: .

Образовавшаяся молекула поступает в раствор.

В ходе электролиза происходит растворение анода и отложение меди на катоде, электролит же в конечном счете не изменяется.

2. Законы Фарадея

Первый закон - количество выделившегося на электроде вещества пропорционально заряду, прошедшему через электролит:

, (1)

здесь m — масса выделившегося вещества,

К - коэффициент, зависящий от природы вещества и называемый его электрохимическим эквивалентом.

2. Законы Фарадея

Второй закон Фарадея связывает электрохимический эквивалент К вещества с его химическим эквивалентом A/z (А — атомный вес, z — валентность данного веще­ства). Этот закон гласит, что электрохимические эквиваленты всех веществ пропорциональны их химическим эквивалентам. Коэффициент пропорциональности пишут в виде 1/F. Величину F называют числом Фарадея:

. (2)

Подставив выражение (2) в формулу (1), мы объединим оба закона. В результате получается

. (3)

При q, численно равном F, масса m численно совпадает с A/z. Таким образом, для выделения на электроде килограмм-эквивалента или грамм-эквивалента любого вещества требуется пропустить через электролит одно и то же количество электричества, численно равное F. Опытным путем установлено, что

F=96,497•106 К/кг-эквивалент. (4)

Справка:

Химическим эквивалентом элемента называется безразмерная величина, численно равная массе данного элемента, выраженной в граммах (или в килограммах), которая замещает в химических соединениях 1,0078 г (соответственно кг) водорода.

Валентностью z элемента называется число атомов водорода, которое замещается в химических соединениях одним атомом данного элемента.

Для одновалентного элемента химический эквивалент равен его атомному весу. Для z-валентного элемента химический эквивалент равен A/z.

Количество элемента, масса которого, выраженная в граммах, численно равна химическому эквиваленту, называется грамм-эквивалентом. Количество вещества, масса которого равна A/z килограммов, называется килограмм-эквивалентом.

Понятие химического эквивалента, а также грамм-эквивалента и килограмм-эквивалента может быть распространено также на те группировки атомов, которые выделяются при электролизе на электродах

Технические применения электролиза

Электролиз находит самые разнообразные технические применения. Охарактеризуем вкратце некоторые из них.

1. Гальванопластика. В 1837 г. Б. С. Якоби применил электролиз для изготовления металлических слепков с рельефных моделей.

2. Гальваностегия. С помощью электролиза наносят на поверхность металлических изделий тонкий слой другого металла.

3. Электрометаллургия. Путем электролиза расплав­ленных руд получают алюминий, натрий, магний, бериллий и некоторые другие металлы.

4. Электролитическая полировка.

5. Получение тяжелой воды.

6. Электролитические конденсаторы.

3. Виды газового разряда

Прохождение электрического тока через газы называется газовым разрядом.

Если носители тока в газе обусловлены приложенным к газу электрическим полем, проводимость называется самостоятельной.

Носители тока в газах могут возникать в результате внешних воздействий, не связанных с наличием электрического поля (нагрев). В этом случае говорят о несамостоятельной проводимости газа.

Газовый разряд

Самостоятельный

(электрическое поле)

Несамостоятельный

Виды газового разряда

Процесс образования положительных и отрицательных ионов и свободных электронов из электрически нейтральных атомов и молекул называется ионизацией.

Пусть газ, находящийся между плоскими параллельными электродами, подвергается непрерывному постоянному по интенсивности воздействию какого-либо ионизирующего агента (например, рентгеновских лучей).

Несамостоятельный газовый разряд

Возникшие свободные электроны, разогнавшись, вызывают ионизацию. Происходит лавинообразное размножение первичных ионов, созданных внешним ионизатором, и усиление разрядного тока.

Число пар ионов, возникающих под действием ионизатора за секунду в единице объема, обозначим через ∆ni.

Наряду с процессом ионизации в газе будет происходить рекомбинация ионов (т. е. нейтрализация разноименных ионов при встрече или воссоединение положительного иона и электрона в нейтральную молекулу). Количество рекомбинирующих за секунду в единице объема пар ионов ∆nr, пропорционально квадрату числа имеющихся в единице объема пар ионов n: ∆nr=rn2 (6)

(r — коэффициент пропорциональности).

В состоянии равновесия ∆ni должно быть равно ∆nr –

∆ni=rn2; (7)

Для равновесной концентрации ионов: . (8)

Если подать напряжение на электроды, то убыль ионов будет происходить не только вследствие рекомбинации, но и за счет отсасывания ионов полем к электродам.

График зависимости плотности тока от напряженности поля изображен на рис.4 (сплошная кривая).

При достаточно больших значениях напряженности поля ток начинает резко возрастать (см. пунктирный участок кривой). Это объясняется тем, что порождаемые внешним ионизатором электроны) за время свободного пробега успевают приобрести энергию, достаточную для того, чтобы, столкнувшись с молекулой, вызвать ее ионизацию (ионизация ударом). Возникшие при этом свободные электроны, разогнавшись, в свою очередь вызывают ионизацию. Таким образом, происходит лавинообразное размножение первичных ионов, созданных внешним ионизатором, и усиление разрядного тока.

Процесс не утрачивает характера несамостоятельного разряда, так как после прекращения действия внешнего ионизатора разряд продолжается только до тех пор, пока все электроны (первичные и вторичные) не достигнут анода (задняя граница пространства, в котором имеются ионизирующие частицы - электроны, перемещается к аноду). Для того чтобы разряд стал самостоятельным, необходимо наличие двух встречных лавин ионов, что возможно только в том случае, когда ионизацию ударом способны вызвать носители обоих знаков.

Весьма важно, что несамостоятельные разрядные токи, усиленные за счет размножения носителей, пропорциональны числу первичных ионов, создаваемых внешним ионизатором. Это свойство разряда используется в пропорциональных счетчиках.

Самостоятельный разряд принимает разнообразные формы в зависимости от давления газа, конфигурации электродов и параметров внешней цепи:

1) тлеющий разряд;

2) дуговой разряд;

3) искровой разряд;

4) коронный разряд.

Тле́ющий разря́д формируется, как правило, при низком давлении газа и малом токе.

При увеличении проходящего тока превращается в дуговой разряд.

Тлеющий разряд возникает при низких давлениях.
Дуговой разряд может протекать как при низком, так и при высоком давлении. Основными явлениями являются термоэлектронная эмиссия с раскаленной поверхности катода и термическая ионизация молекул, обусловленная высокой температурой газа.
Искровой разряд возникает, когда напряженность электрического поля достигает пробивного для данного газа значения Епр.

При коронном разряде ионизация и возбуждение молекул происходят не во всем межэлектродном пространстве, а лишь вблизи электрода с малым радиусом кривизны, где напряженность поля достигает значений, равных или превышающих Епр.

4. Электрический ток в вакууме

В вакууме не может существовать электрический ток, если в нем нет носителей электрических зарядов. Если же в нем имеются электроны, то их движение обусловливает возникновение тока, называемого током в вакууме.

Вблизи поверхности металла имеется электронное облако, которое находится в равновесии с электронным газом внутри металла.

7. Электрический ток в вакууме

Пусть Е0 — энергия покоящегося электрона вблизи поверхности вне металла (рис. 1).

Формула (1) позволяет вычислить вероятность того, что электрон имеет энергию Е0, если вместо Еi подставить в нее Е0. Эта вероятность не равна нулю и тем больше, чем выше температура (т. е. чем меньше β).

Явление образования электронного облака вблизи поверхности металла из-за теплового движения свободных электронов называется термоэлектронной эмиссией.

При 0 К никакой термоэлектронной эмиссии не наблюдается, т. е. электронное облако вблизи поверхности металла отсутствует.

Наименьшая энергия, которую необходимо сообщить электрону для того, чтобы удалить его из твердого или жидкого тела в вакуум, называется работой выхода.

Если вблизи поверхности металла существует электрическое поле, то электроны облака приходят в движение и образуется электрический ток, называемый термоэлектронным. Сила тока должна расти с увеличением разности потенциалов. Существует максимальная сила тока, когда все электроны, попадающие через поверхность катода в электронное облако, увлекаются внешним электрическим полем к аноду и никакого обратного тока электронов через поверхность внутрь катода не существует. Эта максимальная сила тока называется силой тока насыщения: при дальнейшем увеличении разности потенциалов между анодом и катодом сила тока не изменяется, поскольку все электроны, поставляемые в результате термоэлектронной эмиссии из катода, задействованы для образования электрического тока и других носителей заряда для дальнейшего увеличения силы тока нет.

Для металлов Ф составляет несколько электрон-вольт. Энергия kТ даже при температуре в тысячи кельвинов составляет доли электрон-вольта. Следовательно, βФ»1 и eхр[β(Wk+Ф)]»1. Поэтому в (2) можно в знаменателе пренебречь единицей по сравнению с eхр[β(Wk+Ф)] и записать эту формулу в виде

. (3)

Таким образом, сила тока насыщения очень сильно зависит от работы выхода и температуры, поскольку эти величины входят в экспоненту. Для чистых металлов значительный ток может быть получен лишь при температуре порядка 2000 К, т. е. в качестве катодов необходимо использовать металлы с высокой температурой плавления. Одновременно желательно, чтобы их работа выхода была как можно меньше.

Для чистого вольфрама, работа выхода которого 4,5 эВ. Он должен эксплуатироваться при температуре 2500 К. Для уменьшения рабочей температуры катода и понижения работы выхода используются оксидные катоды, когда на подложку (керн) с помощью соответствующих технологических процессов наносится слой окислов щелочноземельных металлов (например, BaO, SrO и др.). Например, бариево-стронциевые оксидные катоды имеют работу выхода около 1,8 эВ, благодаря чему значительные токи удается получить уже при температуре около 1100 К. При этой температуре достигается плотность тока порядка 104 А·м-2.

9. Электронные лампы

Исследование термоэлектронной эмиссии удобно производить с помощью схемы, изображенной на рис.2.Основным элементом схемы является двухэлектродная лампа, называемая также вакуумным диодом. Она представляет собой хорошо откачанный металлический или стеклянный баллон, внутри которого имеются два электрода — катод К и анод А. Конструктивно электроды могут быть выполнены разными способами. В простейшем случае катод имеет форму тонкой прямой нити, анод — коаксиального с ней цилиндра (рис. 3).

9. Электронные лампы

Катод нагревается током, создаваемым батареей накала Бн. Температуру накала можно менять, регулируя с помощью реостата Ri силу тока накала. На электроды анодного напряжения Ua можно изменять с помощью потенциометра R1 и измерять вольтметром V (Ua считается положительным, если потенциал анода выше потенциала катода). Гальванометр G предназначен для измерения силы анодного тока ia.

Если установить постоянный накал катода и снять зависимость силы анодного тока ia от анодного напряжения Ua, то получается кривая, изображенная на рис.4 (различные кривые соответствуют разным температурам катода). Эта кривая называется вольт-амперной характеристикой.

9. Электронные лампы

При Ua=0 вылетевшие из катода электроны образуют вокруг него отрицательный пространственный заряд - электронное облако. Это облако отталкивает вылетающие из катода электроны и большую часть их возвращает обратно. Все же небольшому числу электронов удается долететь до анода, в результате чего в аноднойцепи будет течь слабый ток. Чтобы полностью прекратить попадание на анод электронов, т. е. сделать ia равным нулю, необходимо приложить между катодом и анодом некоторое отрицательное напряжение. Следовательно, вольт-амперная характеристика диода начинается не в нуле, а немного левее начала координат.

При малых положительных значениях Ua сила анодного тока изменяется пропорционально Ua3/2 . Теоретически эта зависимость была получена Ленгмюром и Богуславским и называется законом трех вторых.

По мере роста Ua все большее число электронов отсасывается электрическим полем к аноду и, наконец, при определенном значении Ua электронное облако полностью рассасывается и все вылетевшие из катода электроны получают возможность достигнуть анода. Дальнейший рост Ua не может увеличить силу анодного тока - ток достигает насыщения.

Если вблизи поверхности металла создать электрическое поле очень большой напряженности ( 106 В/см), наблюдается испускание электронов, называемое автоэлектронной (или холодной) эмиссией.

Это явление иногда называют также вырыванием электронов электрическим полем. Автоэлектронная эмиссия была объяснена квантовой теорией.

При наличии сильного поля препятствующий выходу электронов потенциальный барьер на поверхности металла выглядит так, как показано на рис.5.

Согласно квантовой механике имеется отличная от нуля вероятность того, что элементарная частица пройдет через потенциальный барьер даже в том случае, когда ее энергия меньше, чем высота барьера. Частица как бы проходит через туннель в барьере, в связи с чем это явление называют туннельным эффектом. Вероятность туннельного эффекта растет с уменьшением ширины барьера. Поэтому автоэлектронная эмиссия наблюдается лишь в очень сильных полях.

5. Фотоионизация

Фотон может быть поглощен молекулой, причем его энергия идет на возбуждение или ионизацию. В этом случае ионизация молекулы называется фотоионизацией. Непосредственную (прямую) фотоионизацию способно вызвать ультрафиолетовое излучение. Видимое излучение (обладающее меньшей частотой) может обусловить так называемую ступенчатую фотоионизацию.

Между тепловыми и электрическими процессами в металлах (а также и в полупроводниках) существует определенная взаимосвязь, которая обусловливает ряд явлений, называемых термоэлектрическими: явление Зеебека, явление Пельтье и явление Томсона.

6.1. Явление Зеебека

Зеебек обнаружил в 1821 г., что если спаи 1 и 2 двух разнородных металлов, образующих замкнутую цепь (рис.6), поддерживать при различных температурах, то в цепи течет ток. Изменение знака у разности температур спаев сопровождается изменением направления тока.

Вдоль проводника возникает градиент концентрации электронов с данным значением энергии, что повлечет за собой диффузию более быстрых электронов к холодному концу, а более медленных - к теплому.

6.2. Явление Пельтье

Это явление, открытое Пельтье в 1834 г., заключается в том, что при протекании тока че­рез цепь,составленную из разнородных металлов или полупроводников, в одних спаях происходит выделение, а в других — поглощение тепла. Таким образом, явление Пельтье оказывается обратным явлению Зеебека.

6.3. Явление Томсона

На основании термодинамических соображений Томсон предсказал в 1856 г., что тепло, аналогичное теплу Пельтье, должно выделяться (или поглощаться) при прохождении тока по однородному проводнику, вдоль которого имеется градиент температуры. Этот эффект был впоследствии обнаружен экспериментально и получил название явления Томсона.

Удельная мощность, выделяющаяся в проводнике вследствие явления Томсона, равна

, (5)

где - градиент температуры в данном месте, j - плотность тока, τ - коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом Томсона.

БЛАГОДАРЮ за внимание!