Электрический ток в неметаллах

Федеральное агентство по образованию

Политехнический институт (филиал) в г. Каменске-Уральском

ГОУ ВПО  «Уральский государственный технический  университет – УПИ

имени Первого  Президента России Б. Н. Ельцина» 
 
 

Реферат на тему: «Электрический ток в неметаллах» 
 
 
 

Преподаватель                                                                                   Торопов Н. А. 

Студентка группы № Мт-290506 КУ                                           Кадникова Д. В.    
 
 
 
 
 

Каменск – Уральский  2010

Содержание

    Ι. Электрический ток в электролитах,                                                              3

    ΙΙ. Электрический ток в газах                                                                             6

         2.1. Ионизация газов                                                                                   7

         2.2. Несамостоятельный  газовый разряд                                                   8

         2.3. Самостоятельный газовый разряд                                                      9

         2.4. Различные типы  газовых разрядов                                                   11

              2.4.1. Искровой разряд                                                                      11

              2.4.2. Дуговой разряд                                                                        13

              2.4.3. Тлеющий разряд                                                                      14

              2.4.4. Коронный разряд                                                                     16

    ΙΙΙ. Электрический ток в вакууме                                                                     17

         3.1. Термоэлектронная  эмиссия                                                               18

         3.2. Диод, триод                                                                                         20

         3.3. Фотоэлектронная  эмиссия                                                                 23

         3.4. Вторичная электронная эмиссия                                                       23

    ΙV. Термоэлектрические явления                                                                     24

         4.1.Эфект Зеебека                                                                                      24

         4.2.Эфект Пельтье                                                                                    25

         4.3.Эфект Томсона                                                                                     26

         4.4. Применение термоэлектрических  явлений                                      26

    Список  используемой литературы                                                                   28

    Ι. Электрический ток  в электролитах, электролиз

    Электролитами принято называть проводящие среды, в которых протекание электрического тока сопровождается переносом вещества. Носителями свободных зарядов в электролитах являются положительно и отрицательно заряженные ионы. К электролитам относятся многие соединения металлов в расплавленном состоянии, а также некоторые твердые вещества. Однако основными представителями электролитов, широко используемыми в технике, являются водные растворы неорганических кислот, солей и оснований.

    Чем же объясняется способность электролитов проводить электрический ток? Рассмотрим  пример  с  поваренной солью - NaCl.   В  твердом виде атомы поваренной соли - натрий Na  и  хлор Сl - сильно притягиваются друг к другу и не могут свободно перемещаться. Поэтому поваренная соль в твердом виде тока не проводит. При растворении поваренной соли в воде силы взаимодействия между атомами соли ослабевают и молекула соли распадается на две заряженные частицы - ионы: положительно заряженный иной Na⁺ и  отрицательно  заряженный   ион  Сl^-. Раствор  становится электропроводным.

    Рассмотрим  второй пример. Твердые кристаллы  щелочи - едкого натра NaOH - также не проводят тока. При растворении едкого натра в воде образуются положительные ионы Na⁺ и отрицательные ионы ОН^-.

    И, наконец, третий пример. Чистые кислоты  неэлектропроводные. Но при растворении  в воде они становятся электролитами, т. е. начинают проводить ток. Так, например, соляная кислота НCl в водном растворе образует положительные ионы Н⁺ и отрицательные ионы С1^-.

    Прохождение электрического тока через электролит сопровождается выделением веществ  на электродах. Это явление получило название электролиза.

    Электрический ток в электролитах представляет собой перемещение ионов обоих  знаков в противоположных направлениях. Положительные ионы движутся к отрицательному электроду (катоду), отрицательные ионы – к положительному электроду (аноду). Ионы обоих знаков появляются в водных растворах солей, кислот и щелочей в результате расщепления части нейтральных молекул. Это явление называется электролитической диссоциацией. Например, хлорид меди CuCl₂ диссоциирует в водном растворе на ионы меди и хлора:  

     При подключении электродов к источнику  тока ионы под действием электрического поля начинают упорядоченное движение: положительные ионы меди движутся к  катоду, а отрицательно заряженные ионы хлора – к аноду (см. рис. 1).

    Достигнув катода, ионы меди нейтрализуются избыточными  электронами катода и превращаются в нейтральные атомы, оседающие  на катоде. Ионы хлора, достигнув анода, отдают по одному электрону. После этого  нейтральные атомы хлора соединяются  попарно и образуют молекулы хлора  Cl₂. Хлор выделяется на аноде в виде пузырьков.

    Во  многих случаях электролиз сопровождается вторичными реакциями продуктов  разложения, выделяющихся на электродах, с материалом электродов или растворителей. Примером может служить электролиз водного раствора сульфата меди CuSO₄ (медный купорос) в том случае, когда электроды, опущенные в электролит, изготовлены из меди.

    Диссоциация молекул сульфата меди происходит по схеме 

    Нейтральные атомы меди отлагаются в виде твердого осадка на катоде. Таким путем можно  получить химически чистую медь. Ион  отдает аноду два электрона и превращается в нейтральный радикал SO₄, вступая во вторичную реакцию с медным анодом:

    Образовавшаяся  молекула сульфата меди переходит в  раствор.

    Таким образом, при прохождении электрического тока через водный раствор сульфата меди происходит растворение медного  анода и отложение меди на катоде. Концентрация раствора сульфата меди при этом не изменяется.

    Закон электролиза был экспериментально установлен английским физиком М. Фарадеем в 1833 году. Закон Фарадея определяет количества первичных продуктов, выделяющихся на электродах при электролизе: масса m вещества, выделившегося на электроде, прямо пропорциональна заряду Q, прошедшему через электролит:

    m = kQ = kIt.

    Величину  k называют электрохимическим эквивалентом.

    Масса выделившегося на электроде вещества равна массе всех ионов, пришедших  к электроду: 

    Здесь m₀ и q₀ – масса и заряд одного иона, - число ионов, пришедших к электроду при прохождении через электролит заряда Q. Таким образом, электрохимический эквивалент k равен отношению массы m₀ иона данного вещества к его заряду q₀.

    Так как заряд иона равен произведению валентности вещества n на элементарный заряд e (q₀ = ne), то выражение для электрохимического эквивалента k можно записать в виде: 

    Здесь N_A – постоянная Авогадро, M=m₀N_A– молярная масса вещества,        F = eN_A – постоянная Фарадея.

    Постоянная  Фарадея численно равна заряду, который  необходимо пропустить через электролит для выделения на электроде одного моля одновалентного вещества.

    Закон Фарадея для электролиза приобретает  вид:  

    Явление электролиза широко применяется  в современном промышленном производстве. В частности, электролиз является одним  из способов промышленного получения алюминия, водорода, а также гидроксида натрия, хлора, хлорорганических соединений, диоксида марганца, пероксида водорода. Большое количество металлов извлекаются из руд и подвергаются переработке с помощью электролиза. Электролиз находит применение в очистке сточных вод.

    ΙΙ. Электрический ток  в газах

        Все газы в естественном состоянии  не проводят электрического тока. В чем можно убедиться из следующего опыта: возьмем  электрометр  с  присоединенными   к   нему   дисками   плоского конденсатора  и зарядим его. При комнатной температуре, если воздух достаточно сухой, конденсатор заметно не  разряжается  –  положение  стрелки электрометра  не  изменяется.  Чтобы  заметить  уменьшение  угла  отклонения стрелки  электрометра,  требуется  длительное  время.  Это  показывает,  что электрический  ток  в  воздухе  между  дисками  очень   мал.   Данный   опыт показывает, что воздух является плохим проводником электрического тока.

     Видоизменим опыт: нагреем воздух между дисками  пламенем спиртовки. Тогда угол отклонения стрелки электрометра быстро  уменьшается, т.е. уменьшается разность потенциалов между дисками конденсатора –  конденсатор  разряжается. Следовательно, нагретый воздух между  дисками  стал  проводником, и в нем устанавливается электрический ток.

     Изолирующие свойства газов объясняются тем, что в них нет  свободных электрических зарядов: атомы и молекулы газов в естественном  состоянии являются нейтральными.

     2.1. Ионизация газов.  Вышеописанный  опыт  показывает,  что  в  газах  под  влиянием   высокой температуры  появляются  заряженные  частицы.   Они   возникают   вследствие отщепления от атомов газа одного или  нескольких  электронов,  в  результате чего вместо нейтрального атома  возникают положительный  ион  и  электроны. Часть образовавшихся  электронов  может  быть  при  этом  захвачена  другими нейтральными атомами,  и  тогда  появятся  еще  отрицательные  ионы.  Распад молекул газа на электроны и положительные ионы называется ионизацией газов.

     Нагревание  газа до высокой температуры не является единственным способом ионизации молекул  или атомов газа. Ионизация газа может происходить под влиянием различных внешних взаимодействий: сильного нагрева газа, рентгеновских  лучей, a-, b- и g-лучей, возникающих при радиоактивном распаде, космических лучей, бомбардировки молекул газа быстро движущимися электронами или ионами. Факторы, вызывающие ионизацию газа называются ионизаторами. Количественной характеристикой процесса ионизации служит интенсивность ионизации, измеряемая числом пар противоположных по знаку заряженных частиц, возникающих в единице объема газа за единицу времени.

      Ионизация атома требует затраты определенной энергии – энергии ионизации. Для ионизации атома (или молекулы) необходимо совершить работу против сил взаимодействия между вырываемым электроном и остальными частицами атома (или молекулы). Эта работа называется работой ионизации A_i. Величина работы ионизации зависит от химической природы газа и энергетического состояния вырываемого электрона в атоме или молекуле.

     После прекращения действия ионизатора количество ионов в газе с течением времени  уменьшается и в конце концов ионы исчезают вовсе. Исчезновение ионов  объясняется тем, что ионы и электроны  участвуют в тепловом движении и  поэтому соударяются друг с другом. При столкновении положительного иона и электрона они могут воссоединиться в нейтральный атом. Точно также  при столкновении положительного и  отрицательного ионов отрицательный  ион может отдать свой избыточный электрон положительному иону и оба  иона превратятся в нейтральные  атомы. Этот процесс взаимной нейтрализации  ионов называется рекомбинацией ионов. При рекомбинации положительного иона и электрона или двух ионов освобождается определенная энергия, равная энергии, затраченной на ионизацию. Частично она излучается в виде света, и поэтому рекомбинация ионов сопровождается свечением (свечение рекомбинации).

      В таблице ниже даны значения энергии  ионизации некоторых атомов.

      2.2. Несамостоятельный  газовый разряд. Процесс прохождения электрического тока через газ называется газовым разрядом. Если электропроводность газа создается внешними ионизаторами, то электрический ток, возникающий в нем, называется несамостоятельным газовым разрядом. С прекращением действия внешних ионизаторов несамостоятельный разряд прекращается. Несамостоятельный газовый разряд не сопровождается свечением газа.

      Ниже  изображен график зависимости силы тока от напряжения при несамостоятельном  разряде в газе. Для построения графика использовалась стеклянная трубка с двумя впаянными в  стекло металлическими электродами. Цепь собрана как показано на схеме 1.

      При некотором определенном напряжении наступает такой момент, при котором  все заряженные частицы, образующиеся в газе ионизатором за секунду, достигают за это же время электродов. Дальнейшее увеличение напряжения уже не может привести к увеличению числа переносимых ионов. Ток достигает насыщения (горизонтальный участок графика 1). 

                                                                                    I

                                                                                                                               U

                      +    -                       

      2.3. Самостоятельный газовый разряд. Электрический разряд в газе, сохраняющийся после прекращения действия внешнего ионизатора, называется самостоятельным газовым разрядом. Для его осуществления необходимо, чтобы в результате самого разряда в газе непрерывно образовывались свободные заряды. Основным источником их возникновения является ударная ионизация молекул газа.

      Если  после достижения насыщения продолжать увеличивать разность потенциалов  между электродами, то сила тока при  достаточно большом напряжении станет резко возрастать (график 2).

         I 
 
 

1. U

      Это означает, что в газе появляются дополнительные ионы, которые образуются за счет действия ионизатора. Сила тока может возрасти в сотни и тысячи раз, а число заряженных частиц, возникающих  в процессе разряда, может стать  таким большим, что внешний ионизатор  будет уже не нужен для поддержания  разряда. Поэтому ионизатор теперь можно убрать.

      Каковы  же причины резкого увеличения силы тока при больших напряжениях? Рассмотрим какую либо пару заряженных частиц (положительный ион и электрон), образовавшуюся благодаря действию внешнего ионизатора. Появившийся таким  образом свободный электрон начинает двигаться к положительному электроду  – аноду, а положительный ион  – к катоду. На своем пути электрон встречает ионы и нейтральные  атомы. В промежутках между двумя  последовательными столкновениями энергия электрона увеличивается  за счет работы сил электрического поля.

      Чем больше разность потенциалов между  электродами, тем больше напряженность  электрического поля. Кинетическая энергия  электрона перед очередным столкновением  пропорциональна напряженности  поля и длине свободного пробега  электрона: . Если кинетическая энергия электрона превосходит работу A_i, которую нужно совершить, чтобы ионизировать нейтральный атом (или молекулу), т.е. , то при столкновении электрона с атомом (или молекулой) происходит его ионизация. В результате вместо одного электрона возникают два (налетающий на атом и вырванный из атома). Они, в свою очередь, получают энергию в поле и ионизуют встречные атомы и т.д. Вследствие этого число заряженных частиц быстро нарастает, возникает электронная лавина. Описанный процесс называют ионизацией электронным ударом.

      Но  одна ионизация электронным ударом не может обеспечить поддержания  самостоятельного заряда. Действительно, ведь все возникающие таким образом  электроны движутся по направлению  к аноду и по достижении анода «выбывают из игры». Для поддержания разряда необходима эмиссия электронов с катода («эмиссия» означает «испускание»). Эмиссия электрона может быть обусловлена несколькими причинами.

      Положительные ионы, образовавшиеся при столкновении электронов с нейтральными атомами, при своем движении к катоду приобретают  под действием поля большую кинетическую энергию. При ударах таких быстрых  ионов о катод с поверхности  катода выбиваются электроны.

      Кроме того, катод может испускать электроны  при нагревании до большой температуры. Этот процесс называется термоэлектронной эмиссией. Его можно рассматривать как испарение электронов из металла. Во многих твердых веществах термоэлектронная эмиссия происходит при температурах, при которых испарение самого вещества еще мало. Такие вещества и используются для изготовления катодов.

      При самостоятельном разряде нагрев  катода может происходить за счет бомбардировки его положительными ионами. Если энергия ионов не слишком  велика, то выбивания электронов с  катода не происходит и электроны  испускаются вследствие термоэлектронной эмиссии.

      2.4. Различные типы самостоятельного разряда. В зависимости от свойств и состояния газа, характера и расположения электродов, а также от приложенного к электродам напряжения возникают различные виды самостоятельного разряда. Рассмотрим несколько из них.

      2.4.1. Искровой разряд имеет вид ярких зигзагообразных разветвляющихся нитей-каналов, которые пронизывают разрядный промежуток и исчезают, сменяясь новыми. Исследования показали, что каналы искрового разряда начинают расти иногда от положительного электрода, иногда от отрицательного, а иногда и от какой-нибудь точки между электродами. Это объясняется тем, что ионизация ударом в случае искрового разряда происходит не по всему объему газа, а по отдельным каналам, проходящим в тех местах, в которых концентрация ионов случайно оказалась наибольшей. Искровой разряд сопровождается выделением большого количества теплоты, ярким свечением газа, треском или громом. Все эти явления вызываются электронными и ионными лавинами, которые возникают в искровых каналах и приводят к огромному увеличению давления, достигающему 10⁷¸10⁸ Па, и повышению температуры до 10000 °С.

      Характерным примером искрового разряда является молния. Главный канал молнии имеет  диаметр от 10 до 25 см, а длина молнии может достигать нескольких километров. Максимальная сила тока импульса молнии достигает десятков и сотен тысяч ампер.

      При малой длине разрядного промежутка искровой разряд вызывает специфическое  разрушение анода, называемое эрозией. Это явление было использовано в электроискровом методе резки, сверления и других видах точной обработки металла.

      Искровой  промежуток применяется в качестве предохранителя от перенапряжения в  электрических линиях передач (например, в телефонных линиях). Если вблизи линии  проходит сильный кратковременный  ток, то в проводах этой линии индуцируются напряжении и токи, которые могут  разрушить электрическую установку  и опасны для жизни людей. Во избежание  этого используются специальные  предохранители, состоящие из двух изогнутых электродов, один из которых  присоединен к линии, а другой заземлен. Если потенциал линии относительно земли сильно возрастает, то между  электродами возникает искровой разряд, который вместе с нагретым им воздухом поднимается вверх, удлиняется и обрывается.

      Наконец, электрическая искра применяется  для измерения больших разностей  потенциалов с помощью шарового разрядника, электродами которого служат два металлических шара с полированной поверхностью. Шары раздвигают, и на них подается измеряемая разность потенциалов. Затем шары сближают до тех пор, пока между ними не проскочит искра. Зная диаметр шаров, расстояние между ними, давление, температуру и влажность воздуха, находят разность потенциалов между шарами по специальным таблицам. Этим методом можно измерять с точностью до нескольких процентов разности потенциалов порядка десятков тысяч вольт.

      2.4.2. Дуговой разряд был открыт В. В. Петровым в 1802 году. Этот разряд представляет собой одну из форм газового разряда, осуществляющуюся при большой плотности тока и сравнительно небольшом напряжении между электродами (порядка нескольких десятков вольт). Основной причиной дугового разряда является интенсивное испускание термоэлектронов раскаленным катодом. Эти электроны ускоряются электрическим полем и производят ударную ионизацию молекул газа, благодаря чему электрическое сопротивление газового промежутка между электродами сравнительно мало. Если уменьшить сопротивление внешней цепи, увеличить силу тока дугового разряда, то проводимость газового промежутка столь сильно возрастет, что напряжение между электродами уменьшается. Поэтому говорят, что дуговой разряд имеет падающую вольтамперную характеристику. При атмосферном давлении температура катода достигает 3000 °C. Электроны, бомбардируя анод, создают в нем углубление (кратер) и нагревают его. Температура кратера около 4000 °С, а при больших давлениях воздуха достигает 6000-7000 °С. Температура газа в канале дугового разряда достигает 5000 - 6000 °С, поэтому в нем происходит интенсивная термоионизация.

      В ряде случаев дуговой разряд наблюдается  и при сравнительно низкой температуре  катода (например, в ртутной дуговой  лампе).

      В 1876 году П. Н. Яблочков впервые использовал  электрическую дугу как источник света. В «свече Яблочкова» угли были расположены параллельно и разделены  изогнутой прослойкой, а их концы  соединены проводящим «запальным мостиком». Когда ток включался, запальный  мостик сгорал и между углями образовывалась электрическая дуга. По мере сгорания углей изолирующая прослойка  испарялась.