Sähkövirta nesteissä ja kaasuissa

Sähkövirta nesteissä

Metallijohtimessa sähköä muodostuu vapaiden elektronien suunnatusta liikkeestä ja että aineessa, josta johdin on tehty, ei tapahdu muutoksia.

Sellaisia ​​johtimia, joissa sähkövirran kulkemiseen ei liity kemiallisia muutoksia niiden aineessa, kutsutaan ensiluokkaisiksi johtimiksi... Niihin kuuluvat kaikki metallit, kivihiili ja joukko muita aineita.

Mutta luonnossa on myös sellaisia ​​sähkövirran johtimia, joissa virran kulkiessa tapahtuu kemiallisia ilmiöitä. Näitä johtimia kutsutaan toisen tyyppisiksi johtimiksi... Ne sisältävät pääasiassa erilaisia ​​happojen, suolojen ja emästen vesiliuoksia.

Jos kaadat vettä lasiastiaan ja lisäät siihen muutama tippa rikkihappoa (tai jotain muuta happoa tai alkalia) ja otat sitten kaksi metallilevyä ja kiinnität niihin johdot, lasket nämä levyt astiaan ja kytket virran lähteestä johtojen muihin päihin kytkimen ja ampeerimittarin kautta, niin kaasu vapautuu liuoksesta ja se jatkuu jatkuvasti niin kauan kuin piiri on kiinni.hapan vesi on todellakin johdin. Lisäksi levyt alkavat peittyä kaasukupilla. Sitten nämä kuplat irtoavat levyistä ja tulevat ulos.

Kun sähkövirta johdetaan liuoksen läpi, tapahtuu kemiallisia muutoksia, jotka johtavat kaasun vapautumiseen.

Niitä kutsutaan toisen tyyppisten elektrolyyttien johtimiksi, ja ilmiö, joka tapahtuu elektrolyytissä, kun sähkövirta kulkee sen läpi, on elektrolyysi.

Elektrolyyttiin upotettuja metallilevyjä kutsutaan elektrodeiksi; toista virtalähteen positiiviseen napaan kytkettyä kutsutaan anodiksi ja toista negatiiviseen napaan kytkettynä katodiksi.

Mikä määrittää sähkövirran kulun nestejohtimessa? Osoittautuu, että tällaisissa liuoksissa (elektrolyyteissä) happomolekyylit (emäkset, suolat) hajoavat liuottimen (tässä tapauksessa veden) vaikutuksesta kahdeksi komponentiksi ja molekyylin toisella osalla on positiivinen sähkövaraus ja toisella negatiivinen.

Molekyylin hiukkasia, joilla on sähkövaraus, kutsutaan ioneiksi... Kun happo, suola tai alkali liuotetaan veteen, liuoksessa esiintyy suuri määrä sekä positiivisia että negatiivisia ioneja.

Nyt pitäisi olla selvää, miksi liuoksen läpi kulki sähkövirta, koska virtalähteeseen kytkettyjen elektrodien välillä a mahdollinen eroavaisuustoisin sanoen toinen niistä osoittautui positiivisesti varautuneeksi ja toinen negatiivisesti varautuneeksi. Tämän potentiaalieron vaikutuksesta positiiviset ionit alkoivat sekoittua kohti negatiivista elektrodia - katodia ja negatiiviset ionit - kohti anodia.

Siten ionien kaoottisesta liikkeestä on muodostunut säännöllinen vastakkainen negatiivisten ionien liike yhteen suuntaan ja positiivisten ionien toiseen suuntaan.Tämä varauksensiirtoprosessi on sähkövirran virtaus elektrolyytin läpi ja tapahtuu niin kauan kuin elektrodien välillä on potentiaaliero. Potentiaalieron hävitessä elektrolyytin läpi kulkeva virta pysähtyy, ionien järjestetty liike häiriintyy ja kaoottinen liike alkaa uudelleen.

Tarkastellaan esimerkkinä elektrolyysiilmiötä, kun sähkövirta kulkee kuparisulfaatti CuSO4 -liuoksen läpi, johon kuparielektrodit on laskettu.

Elektrolyysiilmiö, kun virta kulkee kuparisulfaattiliuoksen läpi: C - astia elektrolyytillä, B - virtalähde, C - kytkin

Tulee myös ionien käänteinen liike elektrodeihin. Positiivinen ioni on kupari-ioni (Cu) ja negatiivinen ioni on happojäännös (SO4). Kun kupari-ionit joutuvat kosketuksiin katodin kanssa, ne purkautuvat (kiinnittävät puuttuvat elektronit itseensä), toisin sanoen ne muuttuvat neutraaleiksi puhtaan kuparin molekyyleiksi ja kerrostuvat katodille ohuimman (molekyylin) muodossa. ) kerros.

Negatiiviset ionit, jotka saavuttavat anodin, myös sinkoutuvat (lahjoittavat ylimääräisiä elektroneja). Mutta samalla ne joutuvat kemialliseen reaktioon anodin kuparin kanssa, jonka seurauksena happojäännökseen SO4 lisätään kuparimolekyyli Cti ja muodostuu kuparisulfaattimolekyyli CnasO4, joka palautetaan takaisin elektrolyyttiä.

Koska tämä kemiallinen prosessi kestää kauan, katodille kertyy kuparia, joka vapautuu elektrolyytistä. Tässä tapauksessa elektrolyytti katodille menneiden kuparimolekyylien sijaan vastaanottaa uusia kuparimolekyylejä toisen elektrodin, anodin, liukenemisen vuoksi.

Sama prosessi tapahtuu, jos kuparin sijasta otetaan sinkkielektrodit ja elektrolyytti on sinkkisulfaatin ZnSO4 liuos.Myös sinkki siirtyy anodilta katodille.

Siksi ero metallien sähkövirran ja nestejohtimien välillä piilee siinä, että metalleissa varauksenkantajat ovat vain vapaita elektroneja, ts. negatiivisia varauksia ollessaan elektrolyyteissä sähköä vastakkaisesti varautuneiden ainehiukkasten kuljettama - vastakkaisiin suuntiin liikkuvat ionit. Siksi elektrolyyteillä sanotaan olevan ionijohtavuus.

Elektrolyysi-ilmiön löysi vuonna 1837 B. S. Jacobi, joka teki lukuisia kokeita tutkiakseen ja parantaakseen kemiallisia virtalähteitä. Jacobi havaitsi, että yksi kuparisulfaattiliuokseen sijoitetuista elektrodeista oli päällystetty kuparilla, kun sähkövirta kulki sen läpi.

Tätä ilmiötä kutsutaan sähkömuovaukseksi, ja nyt se löytää erittäin laajan käytännön sovelluksen. Yksi esimerkki tästä on metalliesineiden päällystäminen ohuella kerroksella muita metalleja, esimerkiksi nikkelipinnoitus, kultapinnoitus, hopea jne.

Sähkövirta kaasuissa

Kaasut (mukaan lukien ilma) eivät johda sähköä normaaleissa olosuhteissa. Esimerkiksi tavoite johdot ilmajohtoihinne on ripustettu rinnakkain toistensa kanssa, ja ne on eristetty toisistaan ​​ilmakerroksella.

Kuitenkin korkean lämpötilan, suuren potentiaalieron ja muiden syiden vaikutuksesta kaasut, kuten nestemäiset johtimet, ionisoituvat, eli niissä esiintyy suuria määriä kaasumolekyylien hiukkasia, jotka sähkön kantajina edistävät kulkua. sähkövirrasta kaasun läpi.

Mutta samaan aikaan kaasun ionisaatio eroaa nestejohtimen ionisaatiosta.Jos molekyyli jakautuu nesteessä kahteen varautuneeseen osaan, niin kaasuissa ionisoinnin vaikutuksesta elektronit erottuvat aina jokaisesta molekyylistä ja ioni jää molekyylin positiivisesti varautuneen osan muodossa.

On vain pysäytettävä kaasun ionisaatio, koska se lakkaa olemasta johtava, kun taas neste pysyy aina sähkövirran johtimena. Siksi kaasun johtavuus on väliaikainen ilmiö, joka riippuu ulkoisten syiden vaikutuksesta.

On kuitenkin jotain muutakin sähköpurkauksen tyyppiKutsutaan kaaripurkaukseksi tai yksinkertaisesti sähkökaareksi. Ensimmäinen venäläinen sähköinsinööri V. V. Petrov löysi sähkökaaren ilmiön 1800-luvun alussa.

V.V. Suorittamalla lukuisia kokeita Petrov havaitsi, että kahden virtalähteeseen kytketyn hiilen välillä ilmaan ilmestyi jatkuva sähköpurkaus, jota seurasi kirkas valo. V.V. Petrov kirjoitti kirjoituksissaan, että tässä tapauksessa "pimeä tyyni voi olla riittävän kirkkaasti valaistu". Näin saatiin ensimmäistä kertaa sähkövalo, jota käytännössä käytti toinen venäläinen sähköinsinööri Pavel Nikolajevitš Yablochkov.

"Svesht Yablochkov", jonka työ perustuu sähkökaaren käyttöön, teki tuolloin todellisen vallankumouksen sähkötekniikassa.

Valokaaripurkausta käytetään nykyään valonlähteenä esimerkiksi kohdevaloissa ja projisointilaitteissa. Valokaaripurkauksen korkea lämpötila mahdollistaa sen käytön valokaariuunilaitteet… Tällä hetkellä erittäin suurella virralla käytettäviä kaariuuneja käytetään useilla teollisuudenaloilla: teräksen, valuraudan, ferroseosten, pronssin jne. sulattamiseen. Ja vuonna 1882 NN Benardos käytti kaaripurkausta ensimmäisen kerran metallin leikkaamiseen ja hitsaukseen.

Kaasuputket, loistelamput, jännitteen stabilisaattorit, jotta saadaan elektroni- ja ionisäteitä, niin sanottu hehkukaasupurkaus.

Kipinäpurkaus Käytetään suurten potentiaalierojen mittaamiseen käyttämällä pallomaista kipinäväliä, jonka elektrodit ovat kaksi kiillotettua metallipalloa. Pallot siirretään erilleen ja niihin kohdistetaan mitattavissa oleva potentiaaliero. Sen jälkeen pallot tuodaan lähemmäksi toisiaan, kunnes niiden välistä kulkee kipinä. Tietäen pallojen halkaisijan, niiden välisen etäisyyden, ilman paineen, lämpötilan ja kosteuden, he löytävät pallojen välisen potentiaalieron erikoistaulukoiden mukaan. Tällä menetelmällä on mahdollista mitata muutaman prosentin tarkkuudella kymmenien tuhansien volttien luokkaa oleva potentiaaliero.