7. Безвихревой характер электростатического поля

И з условия E = -Ñφ следует одно важное соотношение, а именно величина векторного произведения [Ñ,E] для стационарных электрических полей всегда равна нулю. По опредедению, поскольку определитель содержит две одинаковые строки. Величина [Ñ,E] называется ротором или вихрем и обозначается как rotE.

Мы получаем важнейшее уравнение электростатики rotЕ = 0.

Электростатическое поле - безвихревое поле. Работа при перемещении заряда по любому замкнутому пути в электростатическом поле равна нулю.

2.4 Электрический ток в электролитах газах и вакууме

Вещества, проводящие ток и разлагающиеся при этом, называются проводниками второго рода или электролитами.

Процесс разделения веществ электрическим током – электролизом.К электролитам относятся растворы кислот, щелочей и солей как в воде, так и в других растворителях.

Носителями тока при электролитической проводимости являются ионы. Расщепление молекул на ионы производится под действием растворителя – электролитическая диссоциация

Напряженность электрического Е заставляет ионы с отрицательным зарядом (анионы) передвигаться к аноду, с положительным зарядом (катионы) – к катоду.На электродах ионы нейтрализуются:

анионы отдают аноду свои избыточные электроны, которые переходят во внешнюю металлическую цепь и движутся к катоду; катионы приобретают у катода недостающие электроны.

Нейтрализация ионов на поверхности электродов – необходимое звено в прохождении тока через гальваническую цепь.

Прямым следствием процесса электролиза: накопление у электродов продуктов химического разложения электролита.

Количество выделяющихся веществ при электролизе на электродах определяется законами Фарадея.

Первый закон Фарадея: при электролизе за время t на электродах выделяются количества вещества m, пропорциональные количеству электричества q, прошедшего за это время:

m = kq.

k - электрохимический эквивалент, равный количеству выделенного вещества на электроде при прохождении через электролит единицы количества электричества F. Этот заряд носит название фарадей, F = 96485 Кл, универсальная константа

Второй закон Фарадея: при прохождении тока последовательно через несколько электролитов количество выделенного вещества за время t в разных электролитах пропорционально химическому эквиваленту этих веществ.

Химический эквивалент равен M/z, где М – атомный или молекулярный вес ионов, z – валентность иона.

В торой закон Фарадея выражается уравнением:

Соединяя оба закона Фарадея: количества выделяющего веществ при электролизе на электродах равно m=(M/z*F)g-заряд (ку) m=(M/z*F)it. В случае нейтрализации на электродах одновалентных ионов при прохождении через электролит заряда в 1 фарадей на электродах выделяется 1 моль вещества.

Концентрацию растворов принято измерять числом химических эквивалентов, содержащихся в 1 л.

Раствор, содержащий 1 химический эквивалент в литре, называют нормальным раствором электролита.

Если в литре раствора содержится 0,01 химического эквивалента, то говорят, что концентрация раствора равна 0,01 нормального (это кратко обозначают так: 0,01N).

Энергия источника тока при электролизе тратится:на перемещение ионов в электролите;на разрядку ионов на электродах. Затраченная энергия на перемещение ионов превращается в тепло, а на разрядку ионов - в химическую энергию полученных при электролизе продуктов.

Электролиз соли начинается с определенного напряжения, потенциала разложения; если напряжение ниже, ток через раствор не протекает. Для быстрого протекания электролиза напряжение должно значительно превышать потенциал разложения, при этом избыточная электроэнергия обращается в тепло.Электролиз при напряжении, вдвое превышающем потенциал разложения:50% энергии идёт на химическую работу, 50% превращается в тепло.

При электролизе главную роль играют явления, происходящие на поверхности электродов. Ионы не способны проникнуть в металл, как и электроны перейти в раствор.

Движение тех и других останавливается на поверхности электрода, здесь происходит их взаимная нейтрализация.

Электролиз имеет широкое применение: Гальванотехническое оцинкование, никелирование, хромирование изделий из железа, многих деталей в машиностроении.

Гальванические элементы

При погружении металла в электролит наблюдается их взаимная электризация,между ними возникает контактная разность потенциалов: металл заряжается отрицательно, жидкость – положительно.

Это объясняется способностью металлов переходить в раствор в виде ионов – электролитической упругостью растворения металлов.

Электроны атомов металла остаются в исходном металле и сообщают ему отрицательный заряд:

Zn ® Zn²⁺ + 2^e-

(переходит в раствор) (остаются в металле)

Вдоль поверхности металлической пластинки образуется двойной электрический слой из электронов и ионов.

Металл и раствор представляют собой полуэлемент.

Наличие разности потенциалов в «полуэлементе» не обеспечивает электрического тока, заряды в нём находится в состоянии равновесия.

Напряжение определяется химической природой электродов, электролитических растворов и концентрацией растворов и находится на уровне » 1,1 В.

Аккумуляторы

Процессы в аккумуляторе и гальваническом элементе имеют обратное направление.

Электромотор – поглотитель энергии.

Генератор – источник электроэнергии.

Обратный разрядному ток через гальванический элемент восстанавливает химические вещества, которые обеспечивают действие элемента (зарядка элемента).

На этом основано действие аккумуляторов.

Аккумуляторы – те же гальванические элементы, но в них электроды и электролиты подобраны с таким расчетом, чтобы легко достигалась обратимость.

Аккумуляторы можно вновь заряжать (восстанавливать) током.

На практике наибольшее распространение имеют свинцовые (кислотные) аккумуляторы.

Свинцовый аккумулятор в незаряженном виде состоит из свинцовых пластин в виде решеток; отверстия замазывают тестом из окиси свинца PbO и воды.

Для «формовки» электродов их погружают в раствор серной кислоты и пропускают ток.

Окись свинца превращается в недоокисную соль серной кислоты Pb₂SO₄ (являющуюся неустойчивым соединением).

При зарядке аккумулятора пластины присоединяют к противоположным полюсам источника тока, происходит электролиз.

На катоде Pb₂SO₄ водородом восстанавливается в губчатый металлический свинец,

на аноде Pb₂SO₄ кислородом превращается в пористый слой перекиси свинца Pb₂O₅.

При разрядке аккумулятора все процессы происходят в обратном направлении.

Затраченная при зарядке энергия возвращается в виде электрического тока.

Эти процессы можно представить следующей формулой:

Pb₂SO₄ + Н₂ + 2PbO₂ Pb₂ + H₂SO₄ + Pb₂O₅

При разрядке аккумулятора концентрация серной кислоты понижается.Степень разрядки контролируется по удельному весу раствора серной кислоты в аккумуляторе.

Свинцовые аккумуляторы обеспечивают ~ 20 А-ч на каждый килограмм веса аккумулятора, это соответствует запасу электроэнергии на каждый килограмм веса аккумулятора ~ 35¸40 Вт-ч.

Топливный элемент

Топливной элемент - устройство прямого преобразования химической энергии в электрическую.

Топливные элементы имеют два важных отличия от аккумуляторов: 1) они функционируют до тех пор, пока топливо и окислитель поступают из внешнего источника; 2) химический состав электролита в процессе работы не изменяется, т.е. топливный элемент не нуждается в перезарядке.

Процессы топливном элементе по своей природе является обратным процессу электролиза

Топливный элемент состоит:

из двух электродов и электролита; систем подвода топлива (водорода) на один электрод и окислителя (О₂) на другой; системы для удаления продуктов реакции;катализаторов - для ускорения химической реакции.

В топливном элементе с кислым электролитом водород подается через полый анод.

На аноде происходит разложение молекул водорода на атомы.

Атомы Н в результате хемосорбции отдают свои электроны и превращаются в положительно заряженные ионы.

Этот процесс описывается следующими уравнениями:

2Н₂ 4Н 4Н 4Н⁺ +4е-

Ионы водорода диффундируют через электролит к катоду, электроны – во внешнею цепь.

Подаваемый кислород на катод переходит в электролит.

При соединении О₂ с ионами водорода и электронами, поступающими из внешней цепи, образуется вода:

О₂ +4Н⁺ + 4е^- 2Н₂О

Поток электронов и ионов водорода поддерживает баланс заряда и вещества в электролите

Поток электронов во внешней цепи представляет собой постоянный ток.

Реакции в топливных элементах обеспечивают ЭДС около 1 В.

Размыкание цепи или прекращение движения ионов останавливает работу топливного элементВ описанном элементе водород и кислород переходят в электролит через микропористые углеродные или металлические электроды.

Высокая плотность тока достигается в элементах, работающих при повышенной температуре (около 250 °С) и высоком давлении. Элементы с ионообменными мембранами, способные работать на водороде и кислороде при нормальных температуре и давлении В этих элементах вместо жидкого электролита между электродами располагается полимерная мембрана, через неё свободно проходят ионыВ таких элементах наряду с кислородом используется воздух. Образующаяся при работе вода не растворяет электролит и может быть легко удалена.

Несамостоятельный газовый разряд

Газы в нормальном состоянии электрически нейтральны. Они состоят из незаряженных атомов, молекул и не проводят электрический ток. Ток проводят ионизованные газы, (часть атомов потеряли внешние электроны и превратилась в положительные ионы). Электрический ток в газах называют газовым разрядом. Ионы в газах возникают при нагреве, под действием света, излучения, электрических полей (внешние ионизаторы). Минимальная энергия, необходимая для удаления из нейтрального атома электрона, называется энергией ионизации. Энергия ионизации обычно выражается в эВ. Плотность электрического тока между пластинами равна:

j = en₊u₊ + en_-u_-.Скорости направленного движения зарядов u пропорциональны напряженности электрического поля:

u_± = b_±E,

где b± - подвижность ионов.

Численно b равна скорости направленного движения зарядов в поле единичной напряженности. Размерность [b] = m²/B*c

Плотность тока

j = en(b₊ + b_-)E - закон Ома для тока в газе при несамостоятельном разряде.

В слабых электрических полях закон Ома хорошо выполняется, j ~ E (кривая ОС, рис.). C увеличением E все ионы будут достигать пластин конденсатора. Плотность тока достигает насыщения и далее не зависит от Е (участок ВС).

Если убрать внешний ионизатор, ток между пластинами прекращается.Такой разряд получил название несамостоятельного газового разряда (кривая ОС).