Электротехника: Основы


Электрический ток в жидкостях и расплавах

Свободные носители зарядов - ионы

Свободные электрические заряды бывают не только в металлах и это не только электроны. Есть так же свободные носители зарядов, которые именуются — ионами. Что они из себя представляют и чем отличаются от элементарных частиц таких как электрон, протон, нейтрон, фотон? Хороший вопрос.

Общее у них то, что и те и другие (за исключением нейтрона и фотона) имеют некоторое количество электрического заряда. Для электронов и протонов — это всегда элементарный заряд, а для ионов величина заряда может быть больше одного элементарного, но всегда кратна ему. Следующая их общность — это их свободность. И те и другие не связаны, а значит могут свободно менять характеристики своего движения под действием электрического поля.

Негативный ион - анион, позитивный ион - катион

Отличия между ионами и элементарными зарядами (протон, электрон) в том, что ионы — это атомы вещества их химической таблицы Менделеева и их изотопы. Эти атомы обладают особенностью. В своём составе они имеют больше электронов чем положено, или же они потеряли свои электроны. Это может быть много электронов на атом, или же всего лишь один единственный. Кроме электронов у атома есть ещё и протоны, но их потеря или присоединение означает ядерную реакцию и изменение структуры атома. Также ионами могут стать многообразные соединения атомов — то есть молекулы и радикалы. Но рассмотрим для простоты примеры на основе атомов.

Ионы бывают двух знаков — положительные +Q и отрицательные -Q. Для того, чтобы получить атому (+) заряд, ему достаточно потерять хотя бы один электрон на своей орбите, тогда баланс будет нарушен и протонов станет больше, чем электронов. Возникает дефицит, недостаток электронов, атом начинает жаждать получить новый электрон. Такой атом превращается в положительный ион, или иначе называют его ещё катионом. Чтобы получить отрицательный ион (-), который иначе называют анионом, достаточно электрически нейтральному атому присоединить хотя бы один дополнительный электрон.

Электрический ток из свободных зарядов - ионов

Ток проводимости, который существует в металлах, где свободными носителями зарядов являются электроны, и ток в жидкостях и расплавах, отличаются в производимых эффектах. Разумеется, есть у них много общего, прежде всего — это поток электричества dq/dt не равен нулю, то есть в сечении, перпендикулярном направлению электрического тока происходит изменение количества заряда. Также действие электрического тока сопровождается выделением энергии в виде теплового излучения и магнитными явлениями. Из отличий можно выделить прежде всего электрохимические преобразования в веществе, а также в большинстве случаев, отсутствие способности экранироваться от внешних электромагнитных полей.

Электрический ток в электролитах и расплавах

Кроме перечисленных отличий есть одно важное замечание. Для существования электрического тока нужен источник. Трудно найти такой источник из существующих, который источал бы ионы, практически все известные источники тока — это источники свободных электронов. Это связано с тем, что ионы — это неустойчивое состояние атомов и молекул, в отличии от стабильных и вездесущих электронов.

Когда через проводник, состоящий из свободных ионов протекает электричество, где источник на одном полюсе имеет избыток электронов, а на другом их недостаток, то неизбежно свободные ионы на одном полюсе получают недостающие им электроны и становятся нейтральными, а на другом полюсе имеющие избыток электронов ионы — отдают лишнее и также становятся нейтральными. Если выражаться языком химии, то здесь происходит реакция электрохимического восстановления и окисления. Там где ионам выдают недостающие электроны, будет катод («минус»), а идущие туда ионы называются катионами. Там где отнимают у ионов, называемых анионами, лишнее электроны, там будет анод («плюс»).

Катионы движутся к катоду. Анионы движутся к аноду. При обозначении полярности источников питания в настоящее время обозначают именно катоды и аноды. Катод — это знак «минус» на источнике, а анод — знак «плюс» на источнике. В проводнике, где свободные носители — электроны, имеющие знак заряда (-), движение тока идёт от катода к аноду, то есть от «минуса» к «плюсу».

Это может показаться странным, так как в литературе обычно стрелкой обозначают направление тока и оно показано как идущее от «плюса» к «минусу». Пусть это не вводит вас в заблуждение. Дело в том, что первоначально знаком «плюс» обозначался избыток электричества, а знаком «минус» недостаток. Электричество перетекало от того места где его много, туда, где его нет, но где его с нетерпением ждут. Вдобавок электричество делили на два вида, положительное и отрицательное, а потом был обнаружен элементарный заряд — электрон, которому присвоили знак (-). В итоге остался один вид электричества — отрицательное, но полярность обозначались по привычке как для положительного электричества. Именно поэтому так и показываю направление тока от «плюса» к «минусу», хотя фактически движение зарядов идёт на оборот.

Если имеется проводник, где есть только анионы, то они будут двигаться в сторону анода, если же проводник имеет только катионы, то они будут двигаться в сторону катода. Всегда наоборот, это как плюс к минусу и минус к плюсу. Вполне может оказаться, что в проводнике есть оба типа ионов, тогда каждый из них двинется в свою сторону. В итоге получится движение в обоих направлениях. Спрашивается. Как быть с величиной силы тока? Вроде как выходит, что через сечение зашло одно количество зарядов (анионы), и вышло другое количество (катионы). В этом случае заряды суммируются с учётом их знаков полярности.

Ещё одним отличием от тока проводимости является температурная зависимость. Для металлов увеличение температуры ухудшает их проводимость, сопротивление металлов при нагреве увеличивается. В случае проводящих жидкостей зависимость обратная. Увеличение температуры улучшает подвижность ионов, при нагреве проводящих жидкостей их сопротивление уменьшается.

Электролиты и расплавы

Многие химические соединения способны растворятся в воде. Такое растворение называется электролитической диссоциацией. Но диссоциация возможна и без участия воды. Достаточно расплавить кристаллы химического соединения и получить расплав. Вода обладает феноменальной способностью растворять в себе почти все химические элементы. Мировой океан представляет собой раствор ионов практически всей таблицы элементов Менделеева.

Каждому из вас приходилось употреблять в пищу электролиты, уже хотя бы потому, что мы солим пишу, а раствор соли в воде и есть электролит. Однако, следует заметить, что растворение сахара в воде — это не электролит, потому как не происходит распад молекулы сахара на ионы.

Желудочный сок, кровь, лимфа, все жидкости в организме человека представляют собой электролиты. Мы с вами, животные и растения — все состоят из электролитов. А что же такое электролит? Электролитом называют раствор (обычно в воде) или расплав ионов. Все электролиты принято называть проводниками второго рода. Различают слабые и сильные электролиты по степени диссоциации молекул. Большинство неорганических кислот относится к сильным электролитам, а вот вода относится к слабому электролиту. Тем не менее, вода всё же считается проводником второго рода. Дистиллированная вода плохо проводит электричество, но стоит только в ней растворить соли, или же добавить в неё кислоту или щёлочь, так её проводимость улучшается в разы.

Электролиты применяются в химических источниках тока, таких как гальванические элементы и аккумуляторы. В производственных процессах гальваники и электрохимии, также применяются электролиты и используют электрохимические процессы идущие при протекании электричества через жидкости.

Расплавы веществ точно также как водные электролиты являются проводниками второго рода и могут называться электролитами. Для того, чтобы получить алюминий из глинозёма, используют их расплавы. Через глинозём пропускают электричество и происходит процесс электролиза и на одном из электродов выделяется алюминий. Это очень энергозатратный процесс, но он подобен тому как происходит разложение воды на кислород и водород под действием электрического тока.

Жидкие диэлектрики

Не все жидкости являются электролитами и не все расплавы будут содержать свободные ионы. Если в растворе отсутствуют свободные ионы и есть лишь незначительное количество свободных электронов, то этот раствор будет проводить электричество, через него возможно прохождение электрического тока, но такой раствор нельзя назвать проводником второго рода и тем более проводником первого рода. Такое вещество будет вести себя как диэлектрик и проявлять больше изоляционные свойства, чем проводимость.

Дата: 15.05.2015

© Valentin Grigoryev (Валентин Григорьев)


Тег статьи: Электрический ток

Все теги раздела Электротехника:
Электричество Закон Ома Электрический ток Электробезопасность Устройства Биоэлектричество Характеристики Физические величины Электролиз Электрические схемы Асинхронные двигатели