Лекция 7 Постоянный электрический ток. 2. Электрический ток в электролитах. Электролиз.

Лекция 7
Постоянный электрический ток.
1. Электрический ток в металлах. Закон Ома.
2. Электрический ток в электролитах. Электролиз.
3. Законы Фарадея. Электрохимический коэффициент.
4. Закон Ома для электролитов.
1.
Электрический ток в металлах.
Согласно классической теории проводимости металлы представляют
собой кристаллическую решетку, в узлах которой располагаются ионы и
движутся свободные электроны. Существование последних объясняется тем,
что при образовании кристаллической решетки валентные электроны,
наиболее слабо связанные с атомом, отрываются от него и становятся
свободными, образуя так называемый электронный газ, который обладает
всеми свойствами идеального газа. Средняя скорость теплового движения
электронов U  1,08  10 5 м/с . Это хаотичное беспорядочное движение.
При наложении внешнего электрического поля на металлический
проводник, возникает упорядоченное движение электронов.
Электрический
ток
в
металлах
это
упорядоченное
движение
электронов.
Средняя
скорость
упорядоченного
движения
электронов
равна
  7,8  10 4 м / с , то есть   U . Это не значит, что электрический ток по
цепи
распространяется
с
такой
скоростью.
Электрический
ток
распространяется со скоростью распространения электромагнитных волн
вдоль проводника, а они распространяются со скоростью света с  3  10 8 м / с .
Закон Ома.
Плотность электрического тока определяется по формуле
j  en  (1)
найдем среднюю скорость упорядоченного движения электронов.

Со стороны электрического поля напряженностью Е на электрон (е)
действует
сила

F,
которая
может
быть
определена
из
формулы
напряженности электрического поля


 F F
 
E    F  E  e (2)
q e

Под действием силы F - электрон приобретает ускорение
a
F eE

(3)
m
m
Скорость при ускоренном движении

  a t (4)
где t
- среднее время между двумя последовательными соударениями
электрона с ионами. Подставив правую часть уравнения (3) в (4) уравнение ,
получим


eE
t (5)
m
Согласно теории Друде при столкновении электрона с ионом, он
полностью передает иону свою энергию и его скорость становится равной 0.
Следовательно, средняя скорость движения электрона
 
(  0) e  E

t (6)
2
2m
Найдем среднее время t по формуле
t 

  U
(7)
так как   U ,  можно пренебречь и уравнение (7) перепишется
t 

U
(8)
где λ – длина свободного пробега электрона.
Правую часть уравнения (8) подставим в уравнение (6)
 
e E 
t (9)
2m U
подставим значение  из уравнения (9) в уравнение (1).
j  en
e
E (10)
2m U
или
j
величину
ne 2 

2m U
ne 2 
E (11)
2m U
с учетом последнего уравнения уравнение (11)
перепишется

j  E (12) – закон Ома для металлов (закон Ома в дифференциальной
форме)
j – плотность тока, γ – удельная проводимость, Е – напряженность.
2.
Электрический ток в электролитах. Электролиз.
Электролитами называются вещества растворы расплавы которых
проводят электрический ток. Носителями зарядов в электролитах являются
отрицательно и положительно заряженные ионы.
-ε +
К
Рассмотрим электрическую цепь, состоящую из источника тока, сосуда
с дистиллированной водой, в которую опущено два электрода и лампочки.
Замкнем ключ К, лампочка не загорится, так как тока в цепи нет,
дистиллированная вода – изолятор. Добавим в воду щепотку соли (NaCl), под
действием полярных молекул воды, молекула соли разрывается на два иона,
положительный Na+ и отрицательный Cl-, лампочка загорается.
-
+
- -
H2O
-
+
+
+
-
+
Cl-
-
H2O
+Na
-
+
-
+
+
-
+
+
Этот
процесс
называется
коэффициентом диссоциации  
диссоциацией
и
характеризуется
n
, где n – число ионов, n0 – концентрация.
n0
Электрический ток в электролитах это направленное упорядоченное
движение ионов.
Подходя к электронам ионы нейтрализуются и выделяются в виде
вещества.
-
+
+
раствор NaCl
Явление выделения вещества на электродах при прохождении
постоянного электрического тока через электролит называется электролизом.
3.
Законы Фарадея. Электрохимический коэффициент.
Исследованием электролиза занимался английский ученый Фарадей.
Первый закон Фарадея.
Количество
вещества
выделившегося
на
электроде
прямо
пропорционально заряду, прошедшему через электролит.
m = k·q, (13)
так как q = I·t, то m = k·I·t, где m – масса, q – заряд, k – электрохимический
коэффициент.
Выразим из формулы (13) k
k
m
(14)
q
k
кг
.
Кл
Электрохимический коэффициент численно равен массе вещества,
выделившейся на электроде при прохождении заряда в 1 Кл.
Второй закон Фарадея.
- устанавливает зависимость между электрохимическим и химическим
коэффициентами.
х
А
- химический коэффициент, А – атомная масса, n – валентность.
n
Фарадей установил, что:
Отношение электрохимического коэффициента (k) к химическому (х)
есть величина постоянная
k 1

(15)
х F
где F = 96500 Кл/моль – постоянная Фарадея.
Обобщенный закон Фарадея:
Выразим из 2-го закона Фарадея (15) электрохимический коэффициент
k
1
x (16)
F
и подставим его значение в первый закон Фарадея ( 14 )
m = k·q или k 
так как x 
1
x  q (17)
F
A
, q = I·t, то уравнение (17) перепишется
n
m
1 A
I  t (18) – обобщенный закон Фарадея
F n
4.
Закон Ома для электролитов.
Общая плотность тока в электролитах будет складываться из плотности
тока, создаваемой «+» и «-» ионами
j  j  j (19)
Плотность тока определяется через скорость движения
j  q0 n , (20)
где q0 – заряд переносимый одним ионом, n – число ионов
n = α·n0, (21)
где n0 – концентрация.

U 

E
(22)
Скорость ионов, отнесенная к напряженности электрического поля

называется подвижностью ионов (U). Выразим  из уравнения (22)


  UE (23)
Правые части уравнений (21) и (23) подставим в уравнение (20),
получим
j  q0n0UE , (24)
с учетом уравнения (24) уравнение (19) перепишется

j  q0n0U  E  q0n0U  E

j  q0n0 (U   U  ) E (25) – закон Ома для электролитов.

Если выражение q0n0 (U   U  ) E   - удельная электропроводность, то
уравнение (25) перепишется

j  E
Проводимость электролитов зависит пропорционально температуре,
так как при повышении температуры возрастает подвижность ионов.