Elektrický proud v kapalinách a plynech

Kapaliny

Elektrolyt. Elektrolytická disociace. Elektrolýza

• elektrolyty – kapalné látky vedoucí elektrický proud (vodné roztoky, kyseliny, zásady)
• vodivost elektrolytu způsobují kladné a záporné ionty – rozpad látky na ionty – elektrolytická disociace
• ionty K+, OH-, Cl- nesou jeden elementární náboj, Cu2+,
• H+ nemůže sám existovat proto tvoří oxoniový ion
• elektrické pole mezi anodou (kladný pól) a katodou (záporný pól) působí na ionty v elektrolytu a vyvolá jejich uspořádaný pohyb – elektrický proud
• kladné ionty ke katodě, záporné k anodě
• tento děj se nazývá elektrolýza

Faradayovy zákony pro elektrolýzu

• při elektrolýze se na katodě vylučuje vodík nebo kov
• každá vyloučená molekula přijme z katody nebo odevzdá anodě několik elektronů
• počet elementárních nábojů potřebných na nevyloučení 1 molekuly v: ; – faradayova konstanta

Faradayův zákon Hmotnost m vyloučené látky je přímo úměrná náboji Q, který prošel elektrolytem.

, konstanta A – elektrochemický ekvivalent

2. Faradayův zákon

Elektrochemický ekvivalent látky vypočteme, jestliže její molární hmotnost vydělíme Faradayovou konstantou a počtem elektronů potřebných k vyloučení jedné molekuly.

Látková množství různých látek vyloučených při elektrolýze týmž nábojem jsou chemicky ekvivalentní. (mohou se nahradit ve sloučenině nebo se beze zbytku sloučit)

Využití elektrolýzy:

o galvanické pokovování

o galvanické leptání

o elektrometalurgie

Voltampérová charakteristika elektrolytického vodiče. Galvanické články

• platí Ohmův zákon, proud je přímo úměrný napětí a odpor závisí na délce vodiče na měrném elektrické odporu a průřezu
• s rostoucí teplotou měrný elektrická odpor klesá (zmenšuje se vnitřní tření)
• rozkladné napětí UR– pokud toto napětí nepřekročíme proud v elektrolytu zanikne, po překročení proud lineárně roste
• při ponoření elektrody do elektrolytu vzniká na elektrodě elektrická dvojvrstva s elektromotorickým napětím, ty se buď navzájem s druhou elektrodou ruší nebo jsou rozdílné (bublinky na elektrodě) a vzniká rozkladné napětí – elektrody se polarizují a vzniká polarizační napětí
• vznik dvojvrstvy se využívá v galvanických článcích (suché články – Leclanchéovy)

Suché články

• elektrodami zinková nádobka a uhlíková tyč obklopená směsí burelu (MnO2) a koksu, jako roztok slouží salmiak (NH4Cl) zahuštěný škrobem
• na uhlíkové katodě se vylučuje vodík a reaguje s burelem – vznik vody (brání polarizaci katody) ,zinková anoda se rozpouští a článek se znehodnocuje

Akumulátory

• založeny na polarizaci elektrod
• zařízení na hromadění elektrické energie, jsou to sekundární galvanické články – mohou se nabít
• nejpoužívanější – olověný akumulátor (auta)

Olověný akumulátor

O Nabíjení

o jakmile se spotřebuje vrstva začne se vylučovat na katodě vodík a na anodě kyslík

o nabíjení se ukončí

o zvýší se hustota elektrolytu

O Vybíjení

o proud má opačný směr, na elektrodách se usazuje a hustota elektrolytu klesá

• kapacita akumulátoru je náboj, který je schopen akumulátor vydat při vybíjení
• další akumulátory – alkalické (oceloniklové, niklokadmiové)

Plyny

Nesamostatný a samostatný výboj v plynu

• vzduch dobrý izolant, pokud ho ionizujeme začne vést elektrický proud
• ionizace je způsobena plamenem nebo zářením (ionizátory)
• ionizace znamená, že se některé molekuly plynů rozštěpí na elektron a kladný ion, ionizátor dodá ionizační energie (elektronvolty) elektronu a ten se odštěpí
• plyn je ionizován kosmickým zářením a radioaktivním zářením zemské kůry
• elektron se může spojit s atomem a vytvořit tak záporný ion, ale může i zaniknout (spojení s kladným ionem) – rekombinace
• pokud je plyn ionizovaný a je v elektrickém poli kladné ionty míří ke katodě a záporné ionty k anodě – zde se mění v neutrální molekuly
• elektrický proud se udržuje ve vzduchu působením ionizátoru a nazývá se nesamostatný výboj
• ionizační komora – deskový kondenzátor, měříme zde proud v ionizovaném plynu a výsledky nám dávají voltampérovou charakteristi­ku výboje
• pro komoru platí Ohmův zákon do určitého napětí, kdy proud dosáhne hodnoty nasyceného proudu (většina elektronů nestačí rekombinovat), poté se proud mění jen málo a stoupat začne až po překročení zápalného napětí – příčinnou je ionizace nárazem, elektrony a ionty vzniklé při ionizace narážejí do neutrálních molekul a při dostatečné energii způsobují ionizaci – počet iontů lavinovitě vzrůstá a nastává samostatný výboj
• vysoce ionizovaný plyn – plazma

Samostatný výboj v plynu za atmosférického tlaku

1. obloukový výboj

o nejdůležitější pro technickou praxi

o napětí alespoň 60V a proud 10A, dvě uhlíkové elektrody a předřazený rezistor

o po dotyku elektrod a následném oddálení na několik mm vznikne výboj, elektrody a plazma se zahřejí na teplotu několik 1000 K

o slouží jako zdroj světla v promítacích přístrojích (vysokotlaké výbojky), pro osvětlení prostranství vysokotlaké sodíkové výbojky, jako zdroj ultrafialového světla se využívají vysokotlaké rtuťové výbojky, obloukové sváření

2. jiskrový výboj

o krátká doba trvání

o když dosáhne lavinovitá ionizace zdroj není schopen dodat proud a přeskočí jiskra doprovázena prásknutím (ohlušující ranou)

o blesk – jiskrový výboj atmosférické elektřiny, vyrovnává napětí mezi mraky nebo mezi mrakem a zemí, během necelé tisíciny sekundy vznikne proud 105A uvolní se energie 100 kW.h

3. koróna

o trsovitý výboj, vzniká v nehomogenním elektrickém poli okolo drátů, hran, hrotů s vysokým potenciálem

o způsobuje ztráty na vedení

o při bouřkách na útesech a stožárech

4. doutnavý výboj

o probíhá v uzavřené trubici – výbojové trubici, za zlomkového tlaku ku atmosférickému tlaku, liší se od obloukového malým proudem

o z trubice odčerpáváme vzduch – snižujeme tlak, výboj vzniká za nižšího napětí

o uprostřed trubice se objeví úzký vlnící se pruh výboje, který se snižováním tlaku rozšiřuje až při p = 100 Pa zaplní celou trubici

o v blízkosti katody je katodové doutnavé světlo modré barvy a téměř celý zbytek zabírá růžový anodový sloupec

o napětí je rozloženo nerovnoměrně

o mezi katodou a katodovým světlem je velký potenciálový spád a elektrické pole zde má větší intenzitu něž v anodovém sloupci – kladné ionty, které zde vzniknou narážejí na katodu a způsobují sekundární emisi – uvolňují se elektrony, které dále ionizují plyn

o doutnavky – krátké výbojky plněné neonem, nevzniká v nich anodový sloupec, používají se jako kontrolní světla s malou spotřebou

Katodové a kanálové záření. Obrazovka

• kanálové záření – uvnitř trubice s doutnavým výbojem proti sobě jsou kladné a záporné částice, opatříme- li katodu otvorem (kanálem) kladné ionty pronikají za katodu – světélkování plynné náplně
• katodové záření – pokud takto pronikají elektrony za anodu, způsobuje světélkování skleněné výbojové trubice

Katodové záření

o vychyluje se působením magnetického i elektrického pole

o má mechanické (roztočí lehký mlýnek), tepelné (rozžhavuje anodu) a chemické (neexponování fotografického materiálu) účinky

o dopadá-li na kov s velkou relativní hmotností vzniká RTG

o nejrozšířenější využití je na obrazovou elektronku – obrazovku

Obrazovka

o uvnitř vysoké vakuum, katoda obrazovky je rozžhavena žhavicím vláknem a uvolňuje elektrony tepelnou emisí

o povrch katody je z oxidu barnatého – snížení práce elektronu při výstupu s katody

o elektrony vystupují malým otvorem v řídící elektrodě W (Wehneltův válec) a poté jsou soustavou anod A1, A2 urychlovány a soustřeďovány do elektronového paprsku, který prochází mezi dvěma páry vychylovacích destiček D1, D2 a dopadají na stínítko S, kde vznikne svítící stopa

o použití v osciloskopech – sledování časového průběhu proměnných elektrických napětí

o v televizních obrazovkách vychylovací destičky chybějí