Ηλεκτρικό ρεύμα σε υγρά και αέρια

Ηλεκτρικό ρεύμα σε υγρά

Σε μεταλλικό αγωγό ηλεκτρική ενέργεια σχηματίζεται από την κατευθυνόμενη κίνηση των ελεύθερων ηλεκτρονίων και ότι δεν συμβαίνουν αλλαγές στην ουσία από την οποία είναι κατασκευασμένος ο αγωγός.

Τέτοιοι αγωγοί, στους οποίους η διέλευση ηλεκτρικού ρεύματος δεν συνοδεύεται από χημικές αλλαγές στην ουσία τους, ονομάζονται αγωγοί πρώτης κατηγορίας... Περιλαμβάνουν όλα τα μέταλλα, τον άνθρακα και μια σειρά από άλλες ουσίες.

Στη φύση όμως υπάρχουν και τέτοιοι αγωγοί ηλεκτρικού ρεύματος στους οποίους συμβαίνουν χημικά φαινόμενα κατά τη διέλευση του ρεύματος. Αυτοί οι αγωγοί ονομάζονται αγωγοί δεύτερου είδους... Περιλαμβάνουν κυρίως διάφορα διαλύματα σε νερό οξέων, αλάτων και βάσεων.

Εάν ρίξετε νερό σε ένα γυάλινο δοχείο και προσθέσετε μερικές σταγόνες θειικού οξέος (ή κάποιο άλλο οξύ ή αλκάλιο) σε αυτό, και στη συνέχεια πάρετε δύο μεταλλικές πλάκες και συνδέσετε σύρματα σε αυτές, κατεβάζοντας αυτές τις πλάκες στο δοχείο και συνδέστε ένα ρεύμα πηγή στα άλλα άκρα των καλωδίων μέσω του διακόπτη και του αμπερόμετρου, τότε το αέριο θα απελευθερωθεί από το διάλυμα και θα συνεχίσει συνεχώς όσο το κύκλωμα είναι κλειστό.Το οξινισμένο νερό είναι πράγματι αγωγός. Επιπλέον, οι πλάκες θα αρχίσουν να καλύπτονται με φυσαλίδες αερίου. Τότε αυτές οι φυσαλίδες θα αποκολληθούν από τα πιάτα και θα βγουν.

Όταν διέρχεται ηλεκτρικό ρεύμα μέσα από το διάλυμα, συμβαίνουν χημικές αλλαγές, με αποτέλεσμα την απελευθέρωση αερίου.

Ονομάζονται αγωγοί του δεύτερου τύπου ηλεκτρολυτών και το φαινόμενο που εμφανίζεται στον ηλεκτρολύτη όταν τον διαπερνά ηλεκτρικό ρεύμα είναι η ηλεκτρόλυση.

Οι μεταλλικές πλάκες που βυθίζονται σε έναν ηλεκτρολύτη ονομάζονται ηλεκτρόδια. ένα από αυτά που συνδέεται με τον θετικό πόλο της πηγής ρεύματος ονομάζεται άνοδος και το άλλο που συνδέεται με τον αρνητικό πόλο είναι η κάθοδος.

Τι καθορίζει τη διέλευση του ηλεκτρικού ρεύματος σε έναν αγωγό υγρού; Αποδεικνύεται ότι σε τέτοια διαλύματα (ηλεκτρολύτες) μόρια οξέος (αλκάλια, αλάτι) υπό τη δράση ενός διαλύτη (στην περίπτωση αυτή του νερού) διασπώνται σε δύο συστατικά και το ένα μέρος του μορίου έχει θετικό ηλεκτρικό φορτίο και το άλλο αρνητικό.

Τα σωματίδια ενός μορίου που έχουν ηλεκτρικό φορτίο ονομάζονται ιόντα... Όταν ένα οξύ, άλας ή αλκάλιο διαλύεται στο νερό, εμφανίζεται ένας μεγάλος αριθμός θετικών και αρνητικών ιόντων στο διάλυμα.

Θα πρέπει τώρα να είναι ξεκάθαρο γιατί πέρασε ηλεκτρικό ρεύμα μέσα από το διάλυμα, γιατί μεταξύ των ηλεκτροδίων που συνδέονται με την πηγή ρεύματος, α πιθανή διαφοράμε άλλα λόγια, το ένα αποδείχθηκε θετικά φορτισμένο και το άλλο αρνητικά. Υπό την επίδραση αυτής της διαφοράς δυναμικού, τα θετικά ιόντα άρχισαν να αναμιγνύονται προς το αρνητικό ηλεκτρόδιο - την κάθοδο, και τα αρνητικά ιόντα - προς την άνοδο.

Έτσι, η χαοτική κίνηση των ιόντων έχει γίνει μια τακτική αντίθετη κίνηση αρνητικών ιόντων προς τη μία κατεύθυνση και θετικών ιόντων στην άλλη.Αυτή η διαδικασία μεταφοράς φορτίου είναι μια ροή ηλεκτρικού ρεύματος μέσω του ηλεκτρολύτη και συμβαίνει όσο υπάρχει διαφορά δυναμικού μεταξύ των ηλεκτροδίων. Καθώς η διαφορά δυναμικού εξαφανίζεται, το ρεύμα μέσω του ηλεκτρολύτη σταματά, η διατεταγμένη κίνηση των ιόντων διακόπτεται και η χαοτική κίνηση αρχίζει ξανά.

Ως παράδειγμα, εξετάστε το φαινόμενο της ηλεκτρόλυσης, όταν ένα ηλεκτρικό ρεύμα διέρχεται από ένα διάλυμα θειικού χαλκού CuSO4 με ηλεκτρόδια χαλκού χαμηλωμένα σε αυτό.

Το φαινόμενο της ηλεκτρόλυσης όταν το ρεύμα διέρχεται από διάλυμα θειικού χαλκού: Γ — δοχείο με ηλεκτρολύτη, Β — πηγή ρεύματος, Γ — διακόπτης

Θα υπάρξει επίσης αντίστροφη κίνηση ιόντων προς τα ηλεκτρόδια. Το θετικό ιόν θα είναι το ιόν χαλκού (Cu) και το αρνητικό ιόν θα είναι το υπόλειμμα οξέος (SO4). Τα ιόντα χαλκού, όταν έρθουν σε επαφή με την κάθοδο, θα αποφορτιστούν (συνδέοντας τα ηλεκτρόνια που λείπουν με τον εαυτό τους), δηλαδή θα μετατραπούν σε ουδέτερα μόρια καθαρού χαλκού και θα εναποτεθούν στην κάθοδο με τη μορφή του λεπτότερου (μοριακού ) στρώμα.

Τα αρνητικά ιόντα που φτάνουν στην άνοδο εκτινάσσονται επίσης (δωρίζουν περίσσεια ηλεκτρονίων). Αλλά ταυτόχρονα, εισέρχονται σε μια χημική αντίδραση με τον χαλκό της ανόδου, ως αποτέλεσμα της οποίας ένα μόριο χαλκού Cti προστίθεται στο υπόλειμμα οξέος SO4, και ένα μόριο θειικού χαλκού CnasO4 σχηματίζεται και επιστρέφει πίσω στο ηλεκτρολύτη.

Δεδομένου ότι αυτή η χημική διαδικασία διαρκεί πολύ, ο χαλκός εναποτίθεται στην κάθοδο, ο οποίος απελευθερώνεται από τον ηλεκτρολύτη. Σε αυτή την περίπτωση, ο ηλεκτρολύτης, αντί για τα μόρια χαλκού που πήγαν στην κάθοδο, δέχεται νέα μόρια χαλκού λόγω της διάλυσης του δεύτερου ηλεκτροδίου, της ανόδου.

Η ίδια διαδικασία λαμβάνει χώρα εάν αντί για χαλκό ληφθούν ηλεκτρόδια ψευδαργύρου και ο ηλεκτρολύτης είναι διάλυμα θειικού ψευδαργύρου ZnSO4.Ο ψευδάργυρος θα μεταφερθεί επίσης από την άνοδο στην κάθοδο.

Επομένως, μια διαφορά μεταξύ του ηλεκτρικού ρεύματος στα μέταλλα και των υγρών αγωγών έγκειται στο γεγονός ότι στα μέταλλα οι φορείς φορτίου είναι μόνο ελεύθερα ηλεκτρόνια, δηλ. αρνητικά φορτία ενώ βρίσκονται σε ηλεκτρολύτες ηλεκτρική ενέργεια μεταφέρονται από αντίθετα φορτισμένα σωματίδια ύλης — ιόντα που κινούνται σε αντίθετες κατευθύνσεις. Γι' αυτό λέγεται ότι οι ηλεκτρολύτες έχουν ιοντική αγωγιμότητα.

Το φαινόμενο της ηλεκτρόλυσης ανακαλύφθηκε το 1837 από τον B. S. Jacobi, ο οποίος έκανε πολυάριθμα πειράματα για να μελετήσει και να βελτιώσει τις χημικές πηγές ρεύματος. Ο Jacobi διαπίστωσε ότι ένα από τα ηλεκτρόδια που τοποθετούνταν σε διάλυμα θειικού χαλκού, όταν ένα ηλεκτρικό ρεύμα διέρχονταν από αυτό, ήταν επικαλυμμένο με χαλκό.

Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται ηλεκτροσχηματισμός, τώρα βρίσκει μια εξαιρετικά μεγάλη πρακτική εφαρμογή. Ένα παράδειγμα αυτού είναι η επίστρωση μεταλλικών αντικειμένων με μια λεπτή στρώση άλλων μετάλλων, για παράδειγμα επινικέλιο, επιχρυσωμένο, ασήμι κ.λπ.

Ηλεκτρικό ρεύμα στα αέρια

Τα αέρια (συμπεριλαμβανομένου του αέρα) δεν μεταφέρουν ηλεκτρισμό υπό κανονικές συνθήκες. Για παράδειγμα, ένας στόχος καλώδια για εναέριες γραμμέςαιωρούνται παράλληλα μεταξύ τους, απομονώνονται μεταξύ τους με ένα στρώμα αέρα.

Ωστόσο, υπό την επίδραση της υψηλής θερμοκρασίας, μιας μεγάλης διαφοράς δυναμικού και άλλων λόγων, τα αέρια, όπως οι αγωγοί υγρών, ιονίζονται, δηλαδή εμφανίζονται σε αυτά σωματίδια μορίων αερίου σε μεγάλους αριθμούς, τα οποία, ως φορείς ηλεκτρικής ενέργειας, συμβάλλουν στη διέλευση ηλεκτρικού ρεύματος μέσω του αερίου.

Αλλά ταυτόχρονα, ο ιονισμός ενός αερίου διαφέρει από τον ιονισμό ενός αγωγού υγρού.Εάν το μόριο χωριστεί σε δύο φορτισμένα μέρη σε ένα υγρό, τότε στα αέρια υπό τη δράση ιονισμού τα ηλεκτρόνια διαχωρίζονται πάντα από κάθε μόριο και το ιόν παραμένει με τη μορφή ενός θετικά φορτισμένου μέρους του μορίου.

Αρκεί να σταματήσει ο ιονισμός του αερίου, καθώς παύει να είναι αγώγιμο, ενώ το υγρό παραμένει πάντα αγωγός ηλεκτρικού ρεύματος. Επομένως, η αγωγιμότητα του αερίου είναι ένα προσωρινό φαινόμενο, ανάλογα με τη δράση εξωτερικών αιτιών.

Ωστόσο, υπάρχει και κάτι άλλο τύπος ηλεκτρικής εκκένωσηςΟνομάζεται εκκένωση τόξου ή απλά ηλεκτρικό τόξο. Το φαινόμενο του ηλεκτρικού τόξου ανακαλύφθηκε στις αρχές του 19ου αιώνα από τον πρώτο Ρώσο ηλεκτρολόγο μηχανικό V. V. Petrov.

V.V. Διεξάγοντας πολυάριθμα πειράματα, ο Petrov ανακάλυψε ότι μεταξύ δύο κάρβουνων που συνδέονται με μια πηγή ρεύματος, εμφανίστηκε στον αέρα μια συνεχής ηλεκτρική εκκένωση, συνοδευόμενη από ένα έντονο φως. Στα γραπτά του, ο V.V. Petrov έγραψε ότι σε αυτή την περίπτωση "η σκοτεινή ηρεμία μπορεί να φωτιστεί αρκετά έντονα". Έτσι, για πρώτη φορά αποκτήθηκε ηλεκτρικό φως, το οποίο πρακτικά εφάρμοσε ένας άλλος Ρώσος ηλεκτρολόγος μηχανικός, ο Pavel Nikolayevich Yablochkov.

Ο "Svesht Yablochkov", του οποίου το έργο βασίζεται στη χρήση ηλεκτρικού τόξου, έκανε μια πραγματική επανάσταση στην ηλεκτρική μηχανική εκείνη την εποχή.

Η εκκένωση τόξου χρησιμοποιείται σήμερα ως πηγή φωτός, για παράδειγμα σε προβολείς και συσκευές προβολής. Η υψηλή θερμοκρασία της εκκένωσης τόξου επιτρέπει τη χρήση του συσκευές φούρνου τόξου… Επί του παρόντος, οι κάμινοι τόξου που κινούνται με πολύ υψηλό ρεύμα χρησιμοποιούνται σε διάφορες βιομηχανίες: για την τήξη χάλυβα, χυτοσίδηρου, σιδηροκράματα, μπρούτζου κ.λπ. Και το 1882, ο Ν.Ν. Μπενάρδος χρησιμοποίησε για πρώτη φορά την εκκένωση τόξου για κοπή και συγκόλληση μετάλλων.

Σε σωλήνες αερίου, λαμπτήρες φθορισμού, σταθεροποιητές τάσης, για τη λήψη δεσμών ηλεκτρονίων και ιόντων, η λεγόμενη εκκένωση αερίου λάμψης.

Εκκένωση σπινθήρα Χρησιμοποιείται για τη μέτρηση μεγάλων διαφορών δυναμικού χρησιμοποιώντας ένα σφαιρικό διάκενο σπινθήρα, τα ηλεκτρόδια του οποίου είναι δύο μεταλλικές σφαίρες με γυαλισμένη επιφάνεια. Οι μπάλες απομακρύνονται και εφαρμόζεται σε αυτές μια μετρήσιμη διαφορά δυναμικού. Οι μπάλες στη συνέχεια φέρονται πιο κοντά μέχρι να περάσει μια σπίθα ανάμεσά τους. Γνωρίζοντας τη διάμετρο των σφαιρών, την απόσταση μεταξύ τους, την πίεση, τη θερμοκρασία και την υγρασία του αέρα, βρίσκουν τη διαφορά δυναμικού μεταξύ των σφαιρών σύμφωνα με ειδικούς πίνακες. Με αυτή τη μέθοδο, είναι δυνατό να μετρηθεί με ακρίβεια μερικών τοις εκατό μια διαφορά δυναμικού της τάξης των δεκάδων χιλιάδων βολτ.