Електричний струм у розчинах і розплавах електролітів

Електроліти - речовини, розчини або розплави яких проводять електричний струм.

Електричний струм в електролітах - це спрямований упорядкований рух позитивних і негативних іонів (катіонів та аніонів).

Електроліз - це процес виділення речовини на електродах при проходженні електричного струму.

Електролітична дисоціація - розпад молекул на іони.

Закони електролізу

Перший закон Фарадея - маса (m) речовини, яка виділяється

на електроді, прямо пропорційна електричному заряду (q), який

пройшов через електроліт.

Коефіцієнт пропорційності, в законі Фарадея, називається електрохімічним еквівалентом речовини. Він чисельно дорівнює масі речовини (m), що виділяється при проходженні через електроліт одиничного електричного заряду, і залежить від хімічної природи речовини. Позначається - k, одиниця виміру - (кг / Кл)

Другий закон Фарадея - електрохімічний еквівалент прямо пропорційний молярній масі М іона і обернено пропорційний його валентності n і сталій Фарадея F.

Постійна Фарадея - добуток елементарного електричного заряду на число Авагадро. Постійна Фарадея визначає кількість електрики, проходження якої через розчин електроліту призводить до виділення на електроді 1 моля одновалентної речовини.

F = 9,64 · 10⁴ Кл/моль

ЗАСТОСУВАННЯ ЕЛЕКТРОЛІЗУ

Гальваностегія - покриття металевих виробів тонким шаром іншого металу. Гальванопластика - електролітичне виготовлення копій з рельєфних предметів. Рафінування - одержання чистих металів. Очищення води.

ЕЛЕКТРИЧНИЙ СТРУМ У ГАЗАХ

Проходження струму через гази називають газовим розрядом.

Розпад молекул газу на електрони і позитивні іони називається іонізацією газу.

Рекомбінація - з'єднання позитивного іона і вільного електрона; явище, протилежне іонізації або дисоціації.

Електричний струм у газах - це спрямований рух позитивних іонів і вільних електронів.

Несамостійний розряд - газовий розряд, який існує тільки при наявності зовнішнього іонізатора.

Самостійний розряд - газовий розряд, що не вимагає для свого підтримання дії зовнішнього іонізатора.

ВИДИ САМОСТІЙНОГО РОЗРЯДУ

Тліючий розряд - самостійний газовий розряд, що відбувається при низькій температурі катода і зниженому (у порівнянні з атмосферним) тиску газу.

Іскровий розряд - газовий розряд, характерною особливістю якого є швидке припинення струму після електричного пробою розрядного проміжку. Спостерігається у вигляді іскри. У природних умовах являє собою блискавку.

Дуговий розряд (електрична дуга) - самостійний газовий розряд, що виникає між електродами після їх розсування і представляє собою вигнутий плазмовий шнур який яскраво світиться.

Коронний розряд - високовольтний самостійний газовий розряд при атмосферному тиску, що виникає в різко неоднорідному електричному полі поблизу електродів з великою кривизною поверхні (вістря, дроту). Має вигляд ореолу «корони», яка світиться.

Плазма - це частково або повністю іонізований газ, в якому густини позитивних і негативних, зарядів практично однакова. Таким чином, плазма в цілому є електрично нейтральною системою.

ЕЛЕКТРИЧНИЙ СТРУМ У ВАКУУМІ

Електричний струм у вакуумі можливий в електронних

лампах. Електронна лампа - це пристрій, в якому застосовується

явище термоелектронної емісії.

Термоелектронна емісія - це випускання електронів твердими або рідкими тілами при їх нагріванні.

 

Діод – це двохелектродна електронна лампа. Усередині скляного балону створюється дуже низький тиск (10 ^{- 6} - 10 ^–7 мм. рт. ст.).

Електронно - променева трубка - електровакуумний прилад, призначений для перетворення електричних сигналів на видиме зображення. Електронно-променева трубка являє собою скляний вакуумний балон, передня стінка якого (екран) покрита люмінофором (речовиною, що світиться під ударами електронів). У вузькому кінці трубки знаходиться електронна гармата. Електронна гармата формує з електронів, що вилетіли з розпеченого катода вузький електронний промінь. Для управління переміщенням електронного променя по екрану використовують вертикально і горизонтально відхиляючи пластини. Під дією змінних електричних полів, створених усередині кожної пари відхиляючих пластин, електронний промінь «малює» на екрані певну фігуру.

ЕЛЕКТРИЧНИЙ СТРУМ У НАПІВПРОВІДНИКАХ

Напівпровідники - речовини, електрична провідність яких займає проміжне місце між провідністю металів і діелектриків. Характерною особливістю напівпровідників, що відрізняє їх від металів, є різке спадання питомого опору із зростанням температури.

Власна провідність - провідність напівпровідників, які не містять домішок. Зазвичай невелика. Обумовлена ​​наявністю в напівпровіднику вільних електронів і дірок.

Домішкова провідність – провідність напівпровідників, яка обумовлена внесенням до їх кристалічної решітки домішок (атомів сторонніх хімічних елементів). Буває двох видів: електронна та діркова.

Електронна провідність (провідність n-типу) - провідність напівпровідника, в якому основними носіями струму є електрони.

Донорна домішка - домішка в напівпровіднику, призводить до виникнення в ньому переважно електронної провідності. Типовий приклад донорної домішки - атоми елементів V групи в напівпровідниках IV групи. З п'яти валентних електронів у атомів донорної домішки чотири беруть участь у створенні ковалентного зв'язку з сусідніми атомами напівпровідника, а п'ятий, будучи слабо пов'язаним з атомом домішки, легко його покидає і стає вільним.

Завдяки цьому кількість вільних електронів в напівпровіднику зростає, і він набуває переважно електронну провідність (провідність n-типу).

Діркова провідність (провідність p-типу) - провідність напівпровідника, в якому основними носіями струму є дірки.

Акцепторна домішка - домішка в напівпровіднику, що призводить до виникнення в ньому переважно діркової провідності, провідності р - типу. Приклад акцепторної домішки - атоми елементів III групи в напівпровідниках IV групи. Три валентних електрона беруть участь у створенні ковалентного зв'язку з сусідніми атомами напівпровідника, а одна зв'язок залишається вільним.

Завдяки цьому кількість дірок у напівпровіднику зростає, і він набуває переважно діркову провідність (провідність р-типу).

Залежність опору напівпровідників від температури - при нагріванні електричний опір напівпровідників зменшується. Зменшення електричного опору напівпровідників при нагріванні пояснюється тим, що з підвищенням температури кристала число вивільнених електронів збільшується, концентрація вільних електронів і дірок в кристалі зростає.

Електронно-дірковий перехід - виникає в місці контакту p - і n - областей напівпровідника. Володіє односторонньою провідністю.

Напівпровідниковий діод - два напівпровідника з різними типами провідностей, які з'єднані разом.

МАГНІТНЕ ПОЛЕ

Взаємодія струмів: два паралельних провідника притягаються один до одного, якщо по ним проходять струми в однакових напрямках, і навпаки, відштовхуються, якщо струми спрямовані в різні сторони.

Магнітне поле - матеріально. Існує незалежно від нашої свідомості. Створюється електричним струмом або рухомими зарядами, магнітами. Виявляється по дії на електричний струм, постійні магніти.

Магнітна індукція - векторна фізична величина, напрямок якої збігається з напрямком північного полюса магнітної стрілки, а модуль дорівнює відношенню модуля магнітної сили, що діє на рухому перпендикулярно цьому напрямку заряджену частинку, до модуля її заряду і швидкості. Позначається В, вимірюється - тесла (1 Тл).

НАПРЯМОК ВЕКТОРА МАГНІТНОЇ ІНДУКЦІЇ

(правило правої руки №1)

1. Якщо обхопити правою рукою провідник таким чином, щоб відхилений великий палець вказував напрям струму в ньому, то решта пальців вказуватиме напрямок вектора магнітної індукції.

2. Якщо обхопити правою рукою котушку таким чином, щоб чотири пальці співпали з напрямком струму у вітках, то відхилений

великий палець вказуватиме напрям вектора магнітної індукції.

Закон Ампера – сила F _А, з якою магнітне поле діє на поміщений в нього провідник зі струмом, дорівнює добутку модуля магнітної індукції B, сили струму I, довжини відрізка провідника Δ 𝓵 і синуса кута α між напрямками струму і магнітної індукції. Напрям сили Ампера визначається правилом лівої руки.

Правило лівої руки. Якщо розташувати ліву долоню так, щоб витягнуті пальці збігалися з напрямом струму, а силові лінії магнітного поля входили в долоню, то відставлений великий палець вкаже напрям сили, що діє на провідник.

Сила Лоренца F_л - сила, з якою магнітне поле діє на заряджену частинку, яка рухається в ньому. Сила Лоренца завжди перпендикулярна напрямку руху частинки і вектору магнітної індукції. Модуль сили Лоренца F _л дорівнює добутку модулів заряду q, швидкості частинки υ, індукції магнітного поля В і синуса кута α між вектором магнітної індукції і швидкості. Характер руху частки в постійному однорідному магнітному полі визначається кутом α, під яким вона влітає в це поле.

Правило лівої руки. Якщо ліву руку розмістити так, щоб складова магнітної індукції, перпендикулярна до швидкості заряду, входила у долоню, а чотири пальці були напрямлені за рухом позитивного заряду (проти руху негативного), то відігнутий на 90⁰ великий палець покаже напрям сили Лоренца Fл, що діє на заряд.

МАГНІТНІ ВЛАСТИВОСТІ РЕЧОВИНИ

Магнітна проникність - фізична величина, яка характеризує магнітні властивості речовини і залежить від роду цієї речовини та її стану. Вона дорівнює відношенню індукції магнітного поля В, що виникає в середовищі з цього матеріалу, до індукції цього ж поля у вакуумі В ₀. Позначається μ, вимірюється - 1.

Феромагнетики - речовини, у яких магнітна проникність μ»1. Це - залізо, нікель, кобальт, безліч їх сплавів, а також рідкоземельні елементи. При зануренні феромагнетиків в зовнішнє магнітне поле вони намагнічуються і починають створювати своє власне магнітне поле, яке може в сотні і тисячі разів перевищувати зовнішнє поле. При виключенні магнітного поля феромагнетик залишається намагніченим, тобто продовжує створювати своє власне магнітне поле. Завдяки цій властивості можливе створення постійних магнітів. Магнітні властивості феромагнетиків виявляються тільки при температурах, менших за деяку температуру, названою температурою (або точкою) Кюрі.

Парамагнетики - слабомагнітні речовини, магнітна проникність яких трохи більше одиниці. Намагнічуються в напрямку прикладеного магнітного поля. До парамагнетиків відносяться: азот, кисень, алюміній, ебоніт, платина, олово, титан та інші. Парамагнетики в зовнішньому магнітному полі створюють магнітний момент, що співпадає з напрямком зовнішнього поля, і тому втягуються в них майже повністю. Вони використовуються як осердя котушок індуктивності: парамагнетики збільшують індуктивність.

Діамагнетики - слабомагнітні речовини, магнітна проникності яких трохи менше одиниці. Діамагнетик в зовнішньому магнітному полі створюють магнітний момент протилежний напрямку зовнішнього поля і тому виштовхуються з нього. До діамагнетиках відносяться: інертні гази гелій аргон криптон, метал перша побічної групи мідь срібло золото.

 

 

ЕЛЕКТРОМАГНІТНО ІНДУКЦІЯ

Магнітний потік - скалярна фізична величина, що дорівнює в разі однорідного поля добутку модуля індукції В цього поля, площі S плоскої поверхні, через яку проходить цей потік, і косинуса кута α між напрямками індукції і нормалі до цієї поверхні. Позначається Ф, вимірюється - Вебер (Вб).

Електромагнітна індукція - явище виникнення ЕРС в контурі при зміні магнітного потоку, що пронизує контур. Явище електромагнітної індукції виявлено в 1831 р. Фарадеєм.

Спостереження електромагнітної індукції:

• постійний магніт вставляють в котушку, замкнуту на гальванометр, або виймають з неї. При русі магніту в контурі виникає електричний струм.

• Рамку 1, замкнуту на гальванометр, поміщають поруч з рамкою 2, приєднаної до джерела струму. При замиканні (розмиканні) ланцюга в рамці 2 виникає електричний струм, а в рамці 1- індукційний. Якщо ж в рамці тече постійний струм, то індукційний струм не виникає.

• рамку, замкнуту на гальванометр, поміщають в однорідне магнітне поле і обертають. У рамці виникає електричний струм. Якщо ж рамка рухається поступально, не перетинаючи силових ліній, то струм в ній не виникає.

• рамка рухається в неоднорідному магнітному полі. Число ліній індукції, що перетинають рамку, змінюється. У рамці виникає електричний струм.

Закон електромагнітної індукції - ЕРС індукції (ℇ) у замкнутому контурі дорівнює швидкості зміни магнітного потоку , який пронизує контур.

Змінити магнітний потік через контур можна трьома способами:

• змінити площа контуру;

• змінити інтенсивність магнітного поля;

• змінити взаємну орієнтацію магнітного поля і площини, в якій лежить контур.

Правило Ленца - індукційний струм спрямований так, щоб своїм магнітним полем протидіяти зміні магнітного потоку, яку він викликав. Напрямок індукційного струму визначається наступним чином:

• встановити напрям зовнішнього магнітного поля В.

• визначити збільшується або зменшується потік вектора магнітної індукції зовнішнього поля ΔФ.

• вказати напрямок вектора магнітної індукції індукційного струму В_i:

якщо ΔФ збільшується, то Вi ⇈ В;

якщо ΔФ зменшується, то Вi ⇵ В.

• за правилом правої руки визначити напрям індукційного струму в контурі.

ЕРС індукції (ℇ) в рухомих провідниках дорівнює добутку швидкості руху провідника 𝛖, індукції магнітного поля В, довжині провідника 𝓵 і синусу кута α між вектором магнітної індукції і швидкістю руху провідника.

Правило правої руки №2 (напрямок індукційного струму в рухомих провідниках). Якщо праву руку розмістити в полі так, щоб лінії магнітної індукції входили в долоню, відставлений великий палець відповідав би напрямку руху провідника, то витягнуті пальці руки вкажуть напрям індукційного струму в провіднику.

Самоіндукція - виникнення вихрового електричного поля в провідному контурі при зміні сили струму в ньому самому; окремий випадок електромагнітної індукції.

Індуктивність - скалярна фізична величина, є коефіцієнтом пропорційності між магнітним потоком (Ф), що пронизує деякий провідний контур, і силою струму в цьому контурі (I). (Здатність провідника створювати магнітне поле). Позначається L, вимірюється - Генрі (Гн).

Енергія магнітного поля - фізична величина, що дорівнює половині добутку індуктивності провідника (L), що створює магнітне поле, на квадрат сили струму (I²) в цьому провіднику. Позначається Wm, вимірюється - Джоулях (Дж).

МЕХАНІЧНІ КОЛИВАННЯ І ХВИЛІ

Коливання - рухи, які точно або приблизно повторюються через однакові проміжки часу.

Вільні механічні коливання - коливання, що виникають під дією внутрішніх сили.

Затуханням коливань називається поступове ослаблення коливань з часом, обумовлене втратою енергії коливальної системою. Вільні коливання реальних систем завжди загасають. Загасання вільних механічних коливань викликається головним чином тертям.

Гармонічні коливання - коливання, які відбуваються за законом синуса (починаються від поштовху вантажу) або за законом косинуса (починаються відведенням вантажу в сторону).

Зміщення - відхилення вантажу від положення рівноваги в будь-який момент часу. Позначається х, вимірюється в метрах (м).

Амплітуда - найбільше відхилення системи від положення рівноваги. Позначається х _max або А, вимірюється в метрах (м).

Період - час між двома послідовними проходженнями системи через одне і те ж положення в одному і тому ж напрямку. (Час одного повного коливання). Позначається Т, вимірюється в секундах (с).

Частота - число коливань системи за одиницю часу. Позначається ν, вимірюється в Герцах (Гц = с¯¹).

Фаза - це величина, яка характеризує стан коливної системи в деякий момент часу - його положення і напрям руху. (Величина, що стоїть під знаком синуса або косинуса в рівнянні гармонічних коливань.) Позначається 𝜑, вимірюється в радіан в секунду (рад).

Пружинний маятник - вантаж, що коливається на пружині. Він здійснює зворотно – поступальні рухи.

Період коливань пружинного маятника(Т) прямо пропорційний кореню квадратному з маси (m) вантажу і обернено пропорційний кореню квадратному з жорсткості пружини (k).

Період коливань пружинного маятника не залежить від місця його розташування і амплітуди коливань, а залежить від маси вантажу і жорсткості пружини. Зі збільшенням жорсткості пружини період коливання зменшується, а зі збільшенням маси вантажу - збільшується.

Математичний маятник - точкове тіло, підвішене до нерозтяжної й невагомої нитки.

Період коливань математичного маятника (Т) прямо пропорційний кореню квадратному з довжини маятника (l) і обернено пропорційний кореню квадратному з прискорення вільного падіння (g).

Період коливань математичного маятника залежить від прискорення вільного падіння: чим воно більше, тим менше період коливань і довжини маятника, чим вона більша, тим більше період коливань. Період коливань математичного маятника не залежить від маси вантажу і амплітуди коливань.