Elektrický proud v kapalinách a plynech

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

U_r 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:

 

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 O^2– je n = 2  → Pro každý iont platí Xⁿ⁺ nebo X^n–

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

Vynásobíme-li toto číslo hmotností jedné molekuly

m₀= M_m/N_A

 (M_m – molární hmotnost vyloučené látky, N_A – Avogadrova konstanta = 6,022 × 10²³)

dostaneme celkovou hmotnost vyloučené látky:

F = N_A × 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:

A – elektrochemický 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:

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)

 

 

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

 

 

 

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

 

 

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 < U_n, 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 U_z 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 U_z 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)