Facebook RSS feed

Elektrický proud v kapalinách a plynech

Zpět na hlavní stranu

Základy o elektrickém proudu – viz otázka 15.

- nakreslit 3 obrázky složení molekul v pevných, kapalných a plynných látkách + vysvětlit, proč je v plynech nejobtížnější vést el. proud

 

 

Vedení el. proudu v kapalinách

Většina kapalin v čistém stavu jsou izolanty 

 elektrolyt - sloučenina, která obsahuje volné ionty (např. NaCl), které se mohou pohybovat a vést el. proud (př. vodné roztoky kyselin, zásad a solí)

elektrolytická disociace - Při rozpouštění kyselin, solí a zásad ve vodě dochází ke vzniku iontů působením molekul rozpouštědla (vody). Je to děj, při kterém rozdělíme látku na jednotlivé ionty.

 

 elektrolýza - děj, kdy kladné kationty putují ke katodě (záporná elektroda) a záporné anionty putují k anodě (kladná elektroda) a mění se tím na neutrální atomy. Děj vyvoláme připojením el. zdroje k elektrodám. El. pole, které vznikne mezi elektrodami, vyvolá usměrněný pohyb iontů. Vyloučené látky mohou reagovat s elektrodami nebo s elektrolytem.

   - slouží k pokovování, aby materiály déle vydržely (je alternativou ochranného laku), nebo se využívá v bateriích (olověných) a v čištění kovů - vyplaví příměsi

 

To, jestli bude elektrolýza probíhat, závisí na napětí zdroje. Napětí musí disociovat látky, až potom může obvodem procházet proud. Pro proud, který prochází elektrolytem platí:

 - není v tab

Ur je rozkladné napětí.

 

Čím větší je vzdálenost elektrod, tím větší je odpor Þ klesá proud. Čím víc jsou elektrody ponořené do elektrolytu, tím větší je proud (větší účinná plocha).

 

 

- voltampérová charakteristika elektrolytického vodiče:

 voltamperova charakteristika

Ur.... polarizační (rozkladné) napětí

 

Odpor elektrolýzy závisí:

1) na vzdálenosti elektrod

2) na ponoření elektrod

3) na teplotě

 

 

Faradayovy zákony pro elektrolýzu

Katoda - Při elektrolýze se vždy vylučuje kov nebo vodík.

Anoda - složitější – mohou se na ní též vylučovat různé látky, může ale docházet také k rozpouštění anody.

Každá vyloučená molekula přijme z katody a odevzdá anodě několik elektronů. K vyloučení jedné molekuly na katodě musí tedy ionty přijmout n elementárních nábojů e – jedna molekula se vyloučí nábojem

n… oxidační číslo (počet klad/záporných částic)

Q = n × e           (Q = N * e) – oba nejsou v tab!

Pro Na+ nebo Cl je n = 1; pro Cu2+ nebo O2– je n = 2  → Pro každý iont platí Xn+ nebo Xn

Projde-li povrchem elektrody celkový náboj Q = I × t, je počet vyloučených molekul

Vynásobíme-li toto číslo hmotností jedné molekuly

m0= Mm/NA

 (Mm – molární hmotnost vyloučené látky, NA – Avogadrova konstanta = 6,022 × 1023)

dostaneme celkovou hmotnost vyloučené látky:

F = NA × e – Faradayova konstanta (udává náboj, kterým se vyloučí 1 mol jednomocného prvku): F = 9,65.104 C × mol–1

Odvozený vztah vyjadřuje zákony, které Faraday objevil v roce 1833:

1. Faradayův zákon:

Hmotnost m vyloučené látky je přímo úměrná náboji Q, který prošel elektrolytem:

m = A × Q = A × I × t

Aelektrochemický ekvivalent, jednotka kg × C–1

Udává množství látky vyloučené proudem 1 A za 1 s Þ definice ampéru:

Proud 1 A vyloučí za 1 s 1,118 g stříbra.

 

2. Faradayův zákon:

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

 

Elektrolýzy se využívá v metalurgii, při galvanickém pokovování, v galvanoplastice atd. 

 


Galvanické články

- tvořený dvěma elektrodami z různých kovů, mezi kterými je umístěna vodivá kapalina – elektrolyt. Využívá chemickou energii uvolněnou při reakci kovových elektrod s elektrolytem, která se přeměňuje na energii elektrickou.

  • Voltův článek – elektrody – Zn, Cu; elektrolyt – zředěná H2SO4
  • Suchý článek (monočlánek) – elektrody – Zn, C + směs grafitu a burelu; elektrolyt – roztok salmiaku zahuštěný na gel (např přídavkem škrobu); baterie = spojení více monočlánků
  • Akumulátor - je zařízení, založené na vzniku elektrolyt. potenciálů, schopnost akumulovat náboj nám vyjadřuje kapacita. Nejčastější jsou olověné akumulátory. Na katodě redukcí vzniká čisté olovo a na anodě oxidací oxid olovičitý.

Můžeme ho nabíjet; elektrolyt – zředěná H2SO4 → v autech, dále např. NiCd, NiMH, Li-ion (pro elektronické účely – články do walkmanů, přenosných CD, MD přehrávačů, mobilních telefonů)

 

 

vybity akumulator 

 nabity akumulator

Vybitý – elektrody jsou pokryty H2SO4          Nabitý – Olověné elektrody, anoda pokryta PbO2

 

 vybijeci akumulator

 

Kapacita baterie [Ah] – Kapacitu 1AH má baterie, která je schopná dodávat I 1A po 1 hod.

 

 

 

 

Elektrický proud v plynech

 - plyny jsou za běžných podmínek (20 C, 101 kPa) izolanty, protože obsahují neutrální molekuly, jejich vedení zajistíme ionizací.

 

 - ionizace - děj, při kterém vnějším zásahem docílíme uvolnění elektronů z molekuly (zbytek molekul se chová jako kladně nabité částice - kation). Uvolněné elektrony se mohou připojovat k neutrálním molekulám a vytvářet tak anionty.

ionizační energie – Energie potřebná k rozštěpení molekuly [elektronvoltech (1 eV = 1,6 × 10–19 J)] – tab, vzadu.

Současně s ionizací probíhá v plynu i opačný děj, zvaný rekombinace. Nesouhlasně nabité částice se přitahují a vytvářejí opět neutrální molekuly.

 

- prostředek pro ionizaci nazýváme ionizátor. Aby se elektrony uvolnily, musíme dodat energii - různé druhy záření (UV), zahřátí plynu na vysokou teplotu, ionty nebo elektrony urychlené el. polem.

 

Ionizace nárazem

 - při dostatečné energii se elektron uvolní z obalu a dokáže nárazem na jinou molekulu uvolnit další elektrony (lavinová)

 

Pokud se ionizovaný plyn nachází v el. poli mezi dvěma elektrodami, vznikne el. proud jako uspořádaný pohyb kationtů k záporně nabité katodě, aniontů a elektronů ke kladně nabité anodě (ionty, které dorazí na elektrody, ztrácejí svůj náboj a mění se v neutrální molekuly)..

 

 

Elektrický proud v plynech se nazývá elektrický výboj a je doprovázen světelnými a zvukovými efekty)

dělíme na: samostatný a nesamostatný

 vyboj voltamperova charakteristika

 

In = nasycený proud, při určité hodnotě napětí se proud nezvyšuje, protože všechny volné částice jsou zachyceny na elektrodách, již neplatí ohmův zákon.

 

Uz - zápalné napětí, dochází k ionizaci nárazem

 

Pokud je U < Un, zanikne většina iontů rekombinací dříve, než dorazí na elektrody

 

U < Uz - nesamostatný výboj – el. proud prochází pouze za přítomnosti vnějšího ionizátoru; přestane-li ionizátor působit, převládne rekombinace nad ionizací a výboj ustává

 

U > Uz... napětí se lavinovitě zvětšuje, ionizace převládá nad rekombinací a proud roste. Není potřeba vnější ionizátor, ionty vznikají samovolně -> SAMOSTATNÝ VÝBOJ

Ionty a elektrony jsou urychleny el. polem natolik, že při nárazu na neutrální molekulu ji ionizují. Počet ionizovaných molekul v plynu lavinovitě narůstá a proto narůstá velmi rychle i proud. Plyn vede proud bez přítomnosti ionizátoru.

 

Velikost Uz závisí na tlaku plynu a na druhu plynu, za nižšího tlaku zápalné napětí menší.

 

plazma = vysoce ionizovaný plyn

 

Výboj za atmosférického tlaku

1) Obloukový výboj - doprovázen vysokými teplotami, velkým proudem a malým Uz, dlouhodobé výboje, velká intenzita záření (obloukové sváření, lampy, horské slunce, vysokotlaké rtuťové výbojky)

 

2) Jiskrový výboj - velký proud, krátkodobé výboje, při kterých dochází k jednorázovému vybití potenciálů (blesk, spalovací motory - svíčka). K ochraně před ničivými účinky blesku slouží bleskosvod (= kovová tyč vodivě spojená se zemí, Prokop Diviš)

 

3) koróna (keříčkový výboj) - vzniká v nehomogenním poli, kolem hrotů, rohů, drátů, velká intenzita. př. koróna způsobuje ztráty na vedeních vysokého napětí za sníženého tlaku (nižší zápalné napětí):

 

 

4) Doutnavý výboj

ve výbojce = skleněná trubice, která obsahuje plyn o tlaku menším, než je tlak atmosférický

–      projevuje se svícením, má poměrně nízké Uz a nízký proud, nespotřebovává velké množství el. energie

        - u katody - katodové doutnavé světlo - využívá se v krátkých výbojkách = doutnavky (využití jako indikátor napětí / polarity)

        - u anody - anodový sloupec - využívá se v reklamních trubicích a zářivkách

 

zářivka - výbojka plněná směsí plynu argonu a par rtuti. Při výboji vzniká UV záření, které dopadá na stěny výbojky, které jsou pokryty oxidy kovů a způsobují světelkování (lumiflor).

 

Katodové záření vzniká při tlaku menším, než 2Pa a při vysokém napětí

 

 

Katodové záření

 - tok elektronů emitovaných přímo z katody

 

vlastnosti:

1) šíří se přímočaře

2) vychyluje se v magnet. a elektr. poli

3) způsobuje při kontaktu s látkou světélkování

4) proniká tenkými materiály a rozptyluje se

 

užití: v obrazovkách - osciloskop (paprsek řízen el. polem), televize (paprsek řízen mag. polem)


 

Článek pro vás napsal David Čápka
Avatar
Autor je C# a PHP programátor, dále se věnuje webovým technologiím a redaktorské činnosti na ITnetwork. Rád své znalosti sdílí s komunitou a tak je rozšiřuje, věří, že smysl života je v poznání.
Unicorn College Autor se informační technologie naučil na Unicorn College - prestižní soukromé vysoké škole IT a ekonomie.

Jak se vám líbí článek?
Celkem (1 hlasů):
55555


 



 

 

Vaše komentáře:

 

Zatím nikdo nevložil komentář - buď první!

Přidat novou zprávu

Děláme co je v našich silách, aby byly zdejší diskuze co nejkvalitnější. Proto do nich také mohou přispívat pouze registrovaní členové. Pro zapojení do diskuze se přihlaš. Pokud ještě nemáš účet, zaregistruj se, je to zdarma.