в чем разница в образовании ионов в электролитах и газах

Электрический ток в жидкостях, в полупроводниках, в вакууме, в газах

теория по физике 🧲 постоянный ток

Напоминаем, что в каждой среде есть свои носители электрических зарядов. В металлах ими служат свободные электроны, в электролитах — положительные и отрицательные ионы, в газах — ионы и электроны, полупроводниках — электроны и дырки, в вакууме — электроны. Электрический ток может течь с переносом и без переноса вещества. Перенос вещества осуществляется только ионами.

Электрический ток в электролитах

Электролиты — жидкости, проводящие электрический ток. К ним относят растворы солей, щелочей и кислот.

Положительные ионы (катионы) движутся к катоду, а отрицательные (анионы) — к аноду.

Пример №1. Электрическая цепь, изображенная на рисунке, включает в себя сосуд со слабым раствором поваренной соли (NaCl) и опущенными в него двумя электродами. В каком направлении (вправо, влево, вверх, вниз) будут двигаться ионы натрия при замыкании ключа:

Электрический ток в полупроводниках

К полупроводникам относят элементы четвертой группы таблицы химических элементов Д.И. Менделеева, которые имеют 4 валентных электрона. Собственная проводимость полупроводников — электронно-дырочная.

При низкой температуре все электроны участвуют в создании ковалентных связей, свободных электронов нет, и полупроводник ведет себя как диэлектрик. При повышении температуры или облучении полупроводников часть ковалентных связей разрушается, и появляются свободные электроны. На месте разрушенной связи возникает электронная вакансия — дырка. Она также перемещается по кристаллу и ведет себя подобно положительной частице.

Зависимость удельного сопротивления полупроводников от температуры и внешнего излучения показана на графике.

В полупроводниках также может осуществляться примесная проводимость.

Донорные примеси — это элементы пятой группы таблицы химических элементов Д.И. Менделеева. Только 4 из 5 валентных электрона участвуют в создании ковалентных связей. Остальные сразу становятся свободными. Полупроводник, основными носителями в котором являются отрицательные электроны, относятся к полупроводникам n-типа.

Акцепторные примеси — элементы третьей группы таблицы химических элементов Д.И. Менделеева. Три валентных электрона устанавливают ковалентные связи, а не месте четвертой появляется дырка. Полупроводник с положительными носителями относится к полупроводникам p-типа.

Применение полупроводниковых приборов

Термисторы — приборы, сопротивление которых изменяется при нагревании. Они позволяют определять малые изменения температуры.

Фоторезисторы — приборы, аналогичные термисторам, но сопротивление в них изменяется не при изменении температуры, а при изменении освещенности.

Полупроводниковый диод — соединение полупроводников двух типов. Обладает односторонней проводимостью.

Электрический ток в вакууме

Получение основных носителей происходит за счет термоэлектронной эмиссией.

Термоэлектронная эмиссия — процесс испускания электронов при нагревании катода до высокой температуры.

Свойства электронных пучков:

Электрический ток в газах

Электрический ток в газах называют разрядом. Обычно газы состоят из нейтральных молекул, поэтому они являются диэлектриками. Чтобы появились носители электрического заряда, необходима затрата энергии.

Несамостоятельный разряд. При нагреве газа или при облучении его атомов могут отделиться электроны, и атомы превращаются в положительные ионы.

Самостоятельный разряд. В газах при столкновении молекул может освободиться хотя бы один электрон. Если он попадет в электрическое поле, то начнет двигаться с ускорением. Сталкиваясь с нейтральным атомом газа, ускоренный электрон может «выбить» из него другой электрон, превратив сам атом в положительный ион. Электроны будут и дальше ускоряться, разрушая атомы. Ионы создают ток в противоположном направлении. Таким образом, электрический ток в газах создается электронами и ионами.

На рис. 1 изображена зависимость силы тока через светодиод D от приложенного к нему напряжения, а на рис. 2 – схема его включения. Напряжение на светодиоде практически не зависит от силы тока через него в интервале значений 0,05 А

Источник

Проектируем электрику вместе

Проводимость в в газах

Электрический ток в газах

Газы в естественном состоянии не проводят электричества (являются диэлектриками), так как состоят из электрически нейтральных атомов и молекул. При обычных температурах и атмосферном давлении газы могут содержать некоторое (очень малое) количество свободных электронов.

Когда между двумя точками газовой среды при очень низком давлении прикладывается высокая разность потенциалов, немногие свободные электроны ускоряются и сталкиваются с атомами газа, выбивая еще больше свободных электронов, умножая их количество. Атомы газа становятся положительно заряженными ионами, т. е. газ ионизируется (в газе могут образовываться и отрицательные ионы, благодаря присоединению электронов к нейтральным атомам).

При этом электроны движутся к полюсу с высоким потенциалом (положительному), в то время как положительные ионы движутся по направлению к низкопотенциальному (отрицательному) полюсу.

Процесс ионизации нарастает лавинообразно – возникает газовый разряд, который и есть электрический ток в газе.

Ярким примером газового разряда является молния.

Как известно, молния может пробивать либо от облака к земле, либо от облака к облаку. В некоторых случаях она даже идет от земли к облаку. На самом деле молния не стремится к «земле», а просто ищет путь к более низкому потенциалу, чтобы уменьшить (разрядить) высокое напряжение, которое образуется, когда слишком много зарядов скапливаются в одном месте.
Как правило, этот более низкий потенциал действительно земля, но не всегда.

Пробивное напряжение

Проводимость в газах

Еще одно отличие: образование ионов в газе происходит за счет воздействия внешних факторов – высокого напряжения, нагревания, различных излучений (ультрафиолетового, рентгеновского, радиоактивного) или космических лучей – в то время как в растворах электролитов образование ионов вызвано ослаблением межмолекулярных связей.
Если в какой-то момент внешний фактор прекратит свое действие на газ, то ток тоже прекратится. При этом положительно заряженные ионы и электроны могут опять объединиться – рекомбинировать.

Плазма, как особое состояние ионизованного газа

При комнатной температуре воздух является диэлектриком, хотя и содержит некоторое количество ионов и свободных электронов. Чем температура воздуха выше, тем интенсивнее движутся частицы, тем больше их скорость и чаще столкновения, приводящие к увеличению степени ионизации и, соответственно, к росту проводимости.

С этой точки зрения пламя спички и электрическая дуга — все это плазма (низкотемпературная).
Желающие могут провести простые эксперименты с пламенем, подтверждающие, что обычное пламя от спички реагирует на магнитное поле и вполне себе заметно проводит электрический ток, т. е. проявляет свойства проводника.

Свойства плазмы

● Между частицами плазмы действуют кулоновские силы, сравнительно медленно убывающие с расстоянием.

● Каждая частица взаимодействует сразу с большим количеством окружающих ее частиц. Частицы плазмы могут участвовать в упорядоченных движениях.

● Заряженные частицы плазмы очень подвижны, за счет чего легко перемещаются под действием электрических и магнитных полей.

Плазма в природе

Источник

В чем разница в образовании ионов в электролитах и газах

Исторически исследование электрического тока в газах и в вакууме оказалось для развития физики чрезвычайно важным, и вместе с тем оно обогатило технику исключительно ценными применениями. Догадка об атомном строении электричества, возникшая на основе фарадеевых законов электролиза, выросла в уверенность именно благодаря исследованиям электрических явлений в газах. А когда атомное строение электричества было доказано на опыте, то началось быстрое развитие электронной физики.

Подобно току в электролитах, электрический ток в газах обусловлен перемещением ионов в направлении поля. Однако в газах наряду с ионами большую роль в явлениях электрического тока играют также свободные электроны. Глубокое отличие тока в газах от тока в электролитах состоит в том, что ток в газах, вообще говоря, не сопровождается электролизом. Это означает, что при ионизации газов не происходит распада молекул на обычные химические ионы. В отличие от растворов ионизация газов не связана непременно с электролитической диссоциацией молекул. Ионизация здесь имеет совершенно иной характер. Опыт показывает, что даже такие газы, как гелий, неон, аргон, молекулы которых состоят всего из одного атома, могут быть ионизированы и в ионизированном состоянии они приобретают электропроводность.

Ионизация газа состоит в отщеплении электрона от нейтральной молекулы и в присоединении некоторой части свободных электронов к нейтральным молекулам и атомам. Молекула, от которой оторван один из периферических электронов, становится положительным ионом. В некоторых газах, например в кислороде и сернистом ангидриде, отделившийся электрон при одной из ближайших встреч с другой нейтральной молекулой соединяется с нею, превращая ее в электроотрицательный ион. Про такие газы говорят, что молекулы их обладают определенным «сродством к электрону». Это означает, что присоединение, «прилипание», электрона к нейтральной молекуле приводит в подобных случаях к такой перестройке электронной оболочки молекулы, что в итоге энергия молекулы, захватившей лишний электрон, оказывается меньше энергии

нейтральной молекулы на некоторую величину, которую и называют энергией сродства к электрону.

Установлено, что при определенных условиях образуются отрицательно заряженные газовые ионы: и др. Однако число образующихся отрицательных ионов обычно невелико. В инертных газах — в аргоне, неоне, гелии, криптоне, ксеноне — и в азоте отрицательные ионы не возникают. При разряде в газах значительно большую роль играют положительные газовые ионы. Так, в воздухе образуются положительные ионы

Чтобы отщепить электрон от нейтральной молекулы или атома и превратить их, таким образом, в положительный ион, необходимо затратить определенную энергию, которую называют энергией ионизации. Обе величины — энергию ионизации и энергию сродства к электрону — принято измерять той разностью потенциалов проходя которую в электрическом поле электрон приобретает указанную энергию:

Эти потенциалы называют потенциалом ионизации и потенциалом сродства к электрону. Потенциал ионизации обычно составляет несколько вольт. Положительным сродством к электрону обладают немногие вещества.

Значения этих величин для некоторых веществ указаны в приводимых здесь двух таблицах.

Напомним (стр. 38), что работу, производимую зарядом 1 электрона при прохождении разности потенциалов в 1 в, часто принимают в качестве единицы энергии.

Потенциалы сродства к электрону

Очевидно, что числовые значения ионизационных потенциалов и потенциалов сродства к электрону, приведенные в помещенных выше таблицах, можно рассматривать также как величины энергии ионизации и энергии сродства к электрону, выраженные в электрон-вольтах.

Ионизация газа вызывается разнообразными явлениями, при которых молекулам газа доставляется энергия, необходимая для отщепления электронов. Лучшие ионизаторы газа — рентгеновы лучи и радиоактивные вещества. Интенсивная ионизация газа происходит при «бомбардировке» молекул газа весьма быстро движущимися частицами — корпускулярными лучами. Ионизацию газа вызывают также ультрафиолетовые лучи, некоторые химические реакции и интенсивное нагревание.

Ионизация, вызываемая соударением молекул в их тепловом движении, — термоионизация — становится заметной только при весьма высоких температурах — для нормального давления при температурах порядка Например, как показывают вычисления, водород и азот термически ионизированы на 50% при температурах соответственно и (в случае давления в одну атмосферу). Та же степень ионизации в 50% достигается у паров железа, меди и серебра при температуре 10 500—11 000° (также в случае давления в одну атмосферу).

Пламя (в связи с химическими процессами в нем) даже при невысокой температуре вызывает существенную ионизацию газа. Это легко обнаружить, внося пламя горелки, или свечи, или даже просто тлеющую лучину в воздушное пространство между обкладками заряженного конденсатора (рис. 152). Проводящая цепь, для которой зазор в конденсаторе являлся местом разрыва, при приближении пламени оказывается замкнутой, и гальванометр, включенный в цепь последовательно с аккумуляторной батареей, показывает наличие тока проводимости.

Посредством аналогичного опыта легко обнаруживается ионизация газа, вызываемая при нормальной температуре и нормальном давлении рентгеновыми лучами, радиоактивным излучением или ультрафиолетовыми лучами. При этом пучок лучей, выделенных посредством диафрагмы, направляют в газовый зазор между обкладками конденсатора, заряженного от высоковольтной батареи, или вообще в газовый зазор между электродами (рис. 153).

Рис. 152. Опыт, показывающий ионизирующее действие пламени.

Рис. 153. Опыт, показывающий ионизирующее действие рентгеновых лучей.

Конечно, было бы совершенно неправильно представлять себе ионизацию под действием хотя бы самых сильных ионизаторов в виде бурного процесса, охватывающего сразу все молекулы газа. Процесс отщепления электронов охватывает далеко не все молекулы, а только немногие из них. Сильнейший ионизатор — соль радия, взятая в количестве 1 миллиграмма, в 1 сек. может вызвать в ближайших слоях воздуха на каждые 100 миллионов молекул образование только одного иона.

Следует также иметь в виду, что при ионизации газов, так же как и при электролитической диссоциации растворов, параллельное процессом ионизации безостановочно протекает процесс молизации — воссоединения (рекомбинации) ионов и электронов в нейтральные молекулы.

Если удалить ионизатор, то процесс рекомбинации ионов немедленно, в течение долей секунды, уничтожит почти все свободные ионы. Поэтому при нормальных условиях газ проводит электричество только под действием ионизатора и быстро теряет электропроводность, если ионизатор устранен.

При прохождении электрического тока через газ на электродах наблюдаются совершенно иные явления, чем при токе в электролитах. Благодаря малой вязкости газов подвижность газовых ионов в тысячи раз больше подвижности ионов в электролитах. Подвижность ионов у большинства двухатомных газов равна Поэтому при большой напряженности электрического поля в разрядном промежутке газовые ионы приобретают весьма большую скорость

движения. Ударяясь с этой большой скоростью о поверхность электрода, они выбивают из металла электроны. Электроны, выбитые из анода, тут же снова улавливаются анодом, тогда как электроны, выбитые из катода, отбрасываются полем катода в глубину разрядного промежутка и увеличивают здесь электропроводность газа. Таким образом, поверхность катода, бомбардируемого положительными ионами газа, становится источником ионизации газа.

Подвижность свободных электронов в газе во много раз больше, чем подвижность газовых ионов. Поэтому электроны под действием поля приобретают особенно большую скорость движения. Ударяясь о встречные молекулы, эти разогнанные полем электроны ионизируют молекулы газа.

Пробегая разность потенциалов в вольт, электрон приобретает энергию, равную эргов.

Если электрон проходит разность потенциалов без соударения с атомами, то его кинетическая энергия будет равна работе электрических сил, следовательно,

Из этого соотношения, зная массу электрона и напряжение пробегаемое электроном (без потери энергии на соударения), легко вычислить приобретаемую электроном скорость:

Так как электрон в 1840 раз легче атома водорода, то, следовательно,

Учитывая, что находим:

Подставляя в эту формулу величины ионизационных потенциалов, приведенные в помещенной выше таблице, мы видим, что электрон ионизирует газовые молекулы, когда скорость его движения достигает примерно т. е. в тысячу раз превышает скорость артиллерийского снаряда дальнобойного орудия.

Приведенная ниже таблица, рассчитанная по формуле (1), показывает, какие огромные скорости приобретает электрон, пробежав (без потери энергии на соударения) сравнительно небольшие разности потенциалов

Для весьма больших разностей потенциалов, когда скорость электронов становится близкой к скорости света, в приведенный нами расчет должна быть введена поправка на зависимость массы электрона от скорости (§ 77). Если ввести эту поправку, то обнаруживается, что ни при какой разности потенциалов скорость электрона не может стать равной скорости света.

Казалось бы, что, подобно электронам, и положительные ионы, разогнанные полем, сталкиваясь с нейтральными частицами газа, также должны вызывать ионизацию газа. Но в действительности при относительно небольших энергиях порядка десятков электрон-вольт (и даже при энергиях в сотни и тысячи электрон-вольт) соударения положительных ионов с частицами газа непосредственно не приводят к ионизации газа. Это существенное различие бомбардировки частиц газа электронами и положительными ионами (при указанных энергиях) объясняется совокупностью ряда причин и в особенности тем, что отщепляемый электрон отталкивается электроном, столкнувшимся с частицей газа, и, наоборот, притягивается положительным ионом. Сказывается также и то, что для электрона длина свободного пробега больше, чем для иона. Если представлять себе дело так, что положительный ион, разогнанный полем, испытывает соударения с периферическим электроном нейтральной частицы, то в этом случае условия для отщепления электрона становятся особенно неблагоприятными: в связи с большим различием масс энергия, отдаваемая электрону при упругом ударе, мала. Ионизация при соударении ионов с частицами газа зависит от химической природы столкнувшихся частиц; такие соударения являются, собственно, элементарным актом химической реакции.

Положение в корне меняется при очень больших энергиях бомбардирующих частиц (порядка миллионов электрон-вольт, т.е. энергий, характерных для явлений радиоактивности). В этом случае ионы оказываются более эффективными ионизаторами газа, чем электроны.

Однако и в явлениях разряда положительные ионы высвобождают электроны, но не из частиц газа, а из металла; бомбардируя поверхность катода, они, как уже упоминалось, вырывают из катода электроны.

Существует еще один важный вид ионизации газа. Когда электрон или ион, разогнанный действием электрического поля, сталкивается с молекулой, он, не ионизируя ее, может привести ее в «возбужденное состояние» — вызвать некоторое изменение в движении электронов, связанных с молекулой, вибрацию атомных ядер и вообще «поднять молекулу на более высокий энергетический уровень». В следующий момент эта «возбужденная» молекула отдает свою избыточную энергию в форме излучения — испускает фотон. Фотон поглощается какой-либо другой молекулой, которая при этом может ионизироваться. Такая внутренняя фотонная ионизация газа благодаря большой скорости распространения излучения приводит к особо быстрому развитию в разрядном промежутке каналов повышенной электропроводности газа.

Источник

Ток в электролитах и газах. Потенциал ионизации. Закон Ома для электролитов и газов. Электрофорез.

Если в электролит или расплав ввести две твердотельных пластинки (электроды) и подать на них напряжение, то возникает электрический ток, который создаётся направленным движением ионов. Достигнув соответствующих электродов, ионы отдают или приобретают электроны и превращаются в нейтральные атомы или молекулы. В результате химических реакций вторичные продукты либо оседают на электродах, либо переходят в раствор. Явление осаждения составных частей электролита на электродах получило название электролиза. Материалы, в которых при прохождении тока происходят химические превращения, относятся к проводникам второго рода.

Количественно электролиз описывается законами Фарадея:

, , (19)

где m – масса осевшего на электроде вещества, k – его электрохимический эквивалент, i = f(t) – сила тока, t – время его протекания, F – число Фарадея (F = 96,497∙10 6 Кл/моль.), М – молярная масса вещества, z – валентность, F/z – называется химическим эквивалентом вещества.

Если величина тока I в процессе электролиза не меняется, то (18) принимает вид: (20)

В растворе процессы диссоциации и рекомбинации идут параллельно. В конечном итоге в растворе при постоянных внешних условиях устанавливается динамическое равновесие. Этому состоянию соответствует определенная степень диссоциации, которую принято характеризовать коэффициентом диссоциации – α, который показывает долю распавшихся молекул растворенного вещества – α = n ‘ / n₀. При невысоких температурах ионы бывают окружены облепившими их ионами растворителя. Это явление получило название сольватации (для водных растворов – гидратации), а сам комплекс из иона и удерживаемой его силовым полем оболочки из молекул растворителя называют сольватом.Отношение (21)

называется подвижностью ионов,которая представляет среднюю

скорость дрейфа заряженных частиц в поле с напряженностью 1 В/м). [b] = м 2 / (В·с). Подвижность ионов b зависит от их природы, свойств растворителя и температуры. Для установившегося движения плотность тока в электролите будет:

Величина в скобках не зависит от напряженности поля – Е. Это значит, ток в электролитах подчиняется закону Ома. Если каждая молекула диссоциирует на два иона, то

представляет собой электропроводность электролита. Как видно из выражения (23), проводимость электролитов растет с повышением температуры, т.к. при этом увеличивается коэффициент диссоциации и подвижность ионов. Зависимость γ от концентрации довольно сложная (рис.): Для слабых растворов, когда α ≈ 1, γ растет пропорционально с. В дальнейшем с увеличением концентрации коэффициент диссоциации α убывает, поэтому рост проводимости замедляется, а затем даже начинает уменьшаться.Электрофорез – направленное движение заряженных частиц (ионов, капелек жидкости, взвешенных и коллоидных части) под воздействием электрического поля в какой-то среде. Скорость упорядоченного движения при электрофорезе определяется уравнением Смолуховского: , (25)

где ε – диэлектрическая проницаемость среды, Е – напряженность электрического поля, η – вязкость среды, ξ – электрокинетический (дзета) потенциал.

Газ становится проводником электричест­ва только, когда некоторая часть его молекул ионизируется. Для ионизации газ надо подвергнуть воздействию какого-либо ионизатора: например, электрический разряд, рентгеновское излучение, радиации или УФ-излучение, пламя свечи.

При ионизации газов происходит вырывание из внешней электронной оболочки атома или молекулы одного или нескольких электронов, что приводит к об­разованию свободных электронов и поло­жительных ионов. Электроны могут при­соединяться к нейтральным молекулам и атомам, превращая их в отрицательные ионы. Электрический ток в газах на­зывается газовым разрядом. Т.о., ток в газах создается ионами обоих знаков и электронами. Газовый разряд при таком механизме будет сопровождаться переносом вещества, т.е. ионизированные газы относятся к проводникам второго рода.

.

Источник