Electricidad en metales
Los metales son buenos conductores de la electricidad. Esto se debe a su estructura interna. Todos los metales tienen electrones de valencia externos débilmente unidos al núcleo, y cuando los átomos se combinan en una red cristalina, estos electrones se vuelven comunes y pertenecen a toda la pieza de metal.
Los portadores de carga en los metales son electrones .
Los electrones de los metales, cuando se colocan en un campo eléctrico, se mueven con una velocidad promedio constante proporcional a la intensidad del campo.
Dependencia de la resistencia del conductor de la temperatura.
A medida que aumenta la temperatura, aumenta la velocidad del movimiento térmico de los electrones de conducción, lo que conduce a un aumento en la frecuencia de colisiones con iones de la red cristalina y, por tanto, a un aumento de la resistencia.
Superconductividad - el fenómeno de una fuerte disminución de la resistencia del conductor a cero cuando se enfría a temperatura crítica(dependiendo del tipo de sustancia).
La superconductividad es un efecto cuántico. Se explica por el hecho de que cuando temperaturas bajas Un número macroscópico de electrones se comportan como un solo objeto. No pueden intercambiar con la red cristalina porciones de energía menores que su energía de enlace, por lo que no se produce disipación de energía térmica, lo que significa ausencia de resistencia.
Esta combinación de electrones es posible cuando forman pares bosónicos (Cooper), un estado correlacionado de electrones con espines y momentos opuestos.
El efecto Meissner es el desplazamiento de un campo magnético de un superconductor. Las corrientes no amortiguadas circulan dentro del conductor en estado superconductor, creando un campo magnético opuesto al externo. Un fuerte campo magnético destruye la superconductividad.
Corriente eléctrica en líquidos.
Electrolitos Se acostumbra llamar medios conductores en los que el flujo de corriente eléctrica va acompañado de la transferencia de materia.
Al llegar al cátodo, los iones de cobre son neutralizados por el exceso de electrones del cátodo y se convierten en átomos neutros, depositados en el cátodo. Los iones de cloro, al llegar al ánodo, ceden un electrón cada uno. El cloro se libera en el ánodo en forma de burbujas.
La ley de la electrólisis fue establecida experimentalmente por el físico inglés M. Faraday en 1833 ( ley de faraday)
metro- masa de sustancia pura liberada como resultado de la electrólisis
k- electrico equivalente químico sustancias
Aquí N / A- la constante de Avogadro, metro = metro 0 norte un- molar masa de sustancia,
F = eN A =96485 C/mol- la constante de faraday
La constante de Faraday es numéricamente igual a la carga que se debe pasar a través del electrolito para liberar un mol de una sustancia monovalente en el electrodo.
Ley de Faraday para la electrólisis.
Corriente eléctrica en gases.
En condiciones normales, todos los gases son dieléctricos, es decir, no conducen corriente eléctrica. Esta propiedad explica, por ejemplo, el uso generalizado del aire como sustancia aislante. El principio de funcionamiento de interruptores y disyuntores se basa precisamente en que al abrir sus contactos metálicos creamos entre ellos una capa de aire que no conduce corriente.
Sin embargo, bajo determinadas condiciones, los gases pueden convertirse en conductores. Por ejemplo, una llama introducida en el espacio entre dos discos metálicos (ver figura) hace que el galvanómetro registre la aparición de una corriente. La conclusión es la siguiente: una llama, es decir, un gas calentado a alta temperatura, es conductora de corriente eléctrica.
Calefacción - no la única forma Transformar el gas en conductor. En lugar de llama, puedes usar ultravioleta o radiación de rayos x, así como el flujo de partículas alfa o electrones. Los experimentos han establecido que la acción de cualquiera de estas causas conduce a la ionización de las moléculas de gas.
El paso de corriente a través de gases se llama descarga de gas. Acabamos de ver un ejemplo de la denominada aprobación de la gestión no autosostenida. Se llama así porque para su mantenimiento requiere algún tipo de ionizador: llama, radiación o una corriente de partículas cargadas. Los experimentos muestran que si se retira el ionizador, los iones y los electrones pronto se reúnen (dicen: se recombinan), formando nuevamente moléculas eléctricamente neutras. Como resultado, el gas deja de conducir corriente, es decir, se convierte en dieléctrico.
Conductividad de gases independiente y no independiente.
Para que un gas sea conductor, es necesario de una forma u otra introducir o crear en él portadores de carga libres: partículas cargadas. En este caso, son posibles dos casos: o estas partículas cargadas se crean por la acción de algún factor externo o se introducen en el gas desde el exterior (no autoconductividad), o se crean en el gas por la acción del campo eléctrico, existente entre los electrodos - conductividad independiente.
En el caso de conductividad no autosostenida, para valores pequeños de U, el gráfico parece una línea recta, es decir La ley de Ohm aproximadamente sigue vigente; A medida que U aumenta, la curva se dobla con cierta tensión y se convierte en una línea recta horizontal.
Esto significa que a partir de un determinado voltaje, la corriente permanece constante a pesar del aumento de voltaje. Este valor de corriente constante, independiente del voltaje, se llama corriente de saturación.
Descarga de gas no autosostenida - una descarga que existe sólo bajo la influencia de ionizadores externos.
A medida que aumenta el voltaje, se produce la ionización por impacto (el fenómeno de expulsar electrones de las moléculas neutras) y el número de portadores de carga aumenta como una avalancha. Se produce una descarga independiente.
Descarga de gas autosostenida - descarga que existe después de la eliminación de los ionizadores externos.
Procesos que afectan la conductividad de los gases.
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Ionización térmica- Cuando los átomos neutros chocan, los electrones son eliminados y los átomos se transforman en iones positivos |
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Ionización por radiación(fotoionización): la desintegración de un átomo en un electrón y un ion positivo bajo la influencia de la luz. |
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Ionización por impacto de electrones.- eliminar un electrón de un átomo mediante un electrón acelerado para formar un ion positivo |
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Emisión de electrones secundarios del cátodo: eliminando electrones del cátodo mediante iones positivos |
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Emisión termoiónica- emisión de electrones por metal calentado |
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Descarga luminosa: A una presión de gas de varias décimas de milímetro de mercurio, la descarga tiene una forma típica, como se muestra esquemáticamente en la Fig. Esta es la corriente en el gas ionizado, o más precisamente en el plasma a baja temperatura. Una descarga luminosa se forma cuando la corriente pasa a través de un gas descargado. Tan pronto como el voltaje excede un cierto valor, el gas en el matraz se ioniza y se produce un resplandor. Se trata esencialmente de una corriente eléctrica, no tanto en forma de gas como en forma de plasma. El color del brillo del gas (plasma) depende de la sustancia del gas.
Descarga de chispa: Con una intensidad de campo suficientemente alta (aproximadamente 3 MV/m), aparece una chispa eléctrica entre los electrodos, que tiene la apariencia de un canal de bobinado brillante que conecta ambos electrodos. El gas cerca de la chispa se calienta a una temperatura alta y repentinamente se expande, causando ondas sonoras, y escuchamos un crujido característico. Ocurre en condiciones normales, en condiciones normales. presión atmosférica, al igual que una descarga luminosa se produce como resultado de la ionización del gas, pero a alto voltaje, a diferencia de una descarga de arco, donde es principalmente importante alta densidad actual
Descarga de corona: Ocurre en un fuerte campo eléctrico de alta intensidad, suficiente para provocar la ionización del gas (o líquido). En este caso, el campo eléctrico no es uniforme; en algunos lugares la intensidad es mucho mayor. Se forma un gradiente (diferencia) de potenciales de campo, y donde el potencial es mayor, la ionización del gas se produce más fuerte, más intensa, luego el flujo de iones llega a otra parte del campo, formando así un flujo de electricidad. Como resultado, se forma una descarga de gas en corona de formas extrañas, dependiendo de la geometría de los conductores, las fuentes de intensidad del campo.
Descarga de arco: representa avería eléctrica Se forma gas, que luego se convierte en una descarga de plasma permanente: un arco. arco eléctrico. Una descarga de arco se caracteriza por un voltaje más bajo que una descarga luminosa. Se mantiene principalmente debido a la emisión termoiónica, cuando se liberan electrones de los electrodos. El antiguo nombre de este tipo de arco es "arco voltaico". Rasgo distintivo Un arco de este tipo se caracteriza por una alta densidad de corriente y un bajo voltaje, que está limitado por la fuente de corriente. Para crear tal arco, los electrodos se acercan, se rompe y luego se separan.
La experiencia demuestra que dos placas con cargas diferentes separadas por una capa de aire no se descargan.
Normalmente, una sustancia en estado gaseoso es un aislante porque los átomos o moléculas que la componen contienen mismo número negativo
y positivo cargas eléctricas y son generalmente neutrales.
Llevemos la llama de una cerilla o una lámpara de alcohol al espacio entre las placas (Fig. 164). En este caso, el electrómetro comenzará a descargarse rápidamente. En consecuencia, el aire bajo la influencia de la llama se convirtió en conductor. Cuando la llama se retira del espacio entre las placas, se detiene la descarga del electrómetro. Se puede obtener el mismo resultado irradiando las placas con luz de arco eléctrico. Estos experimentos demuestran que el gas puede convertirse en conductor de corriente eléctrica.
El fenómeno del paso de una corriente eléctrica a través de un gas, observado sólo bajo la condición de algunos influencia externa, se llama descarga eléctrica no autosostenida.
Ionización térmica.
Calentar un gas lo convierte en conductor de corriente eléctrica porque algunos de los átomos o moléculas del gas se convierten en iones cargados.
Para extraer un electrón de un átomo se debe realizar trabajo contra las fuerzas Atracción de Coulomb entre un núcleo cargado positivamente y un electrón negativo. El proceso de extraer un electrón de un átomo se llama ionización del átomo. La energía mínima que se debe gastar para extraer un electrón de un átomo o molécula se llama energía de enlace.
Un electrón puede desprenderse de un átomo cuando dos átomos chocan si su energía cinética excede la energía de enlace del electrón. La energía cinética del movimiento térmico de átomos o moléculas es directamente proporcional. temperatura absoluta Por lo tanto, al aumentar la temperatura del gas, aumenta el número de colisiones de átomos o moléculas, acompañadas de ionización.
Proceso de emergencia electrones libres y los iones positivos resultantes de colisiones de átomos y moléculas de gas a altas temperaturas se denomina ionización térmica.
Un gas en el que una parte importante de los átomos o moléculas están ionizados se llama plasma.
El grado de ionización térmica del plasma depende de la temperatura. Por ejemplo, a una temperatura de 10.000 K, se ioniza menos del 10% del número total de átomos de hidrógeno; a temperaturas superiores a 20.000 K, el hidrógeno está casi completamente ionizado.
Los electrones y los iones del plasma pueden moverse bajo la influencia de un campo eléctrico. Así, a bajas temperaturas el gas es un aislante, a bajas temperaturas el gas es un aislante, a bajas temperaturas el gas es un aislante, a bajas temperaturas el gas es un aislante, a bajas temperaturas el gas es un aislante, a altas temperaturas Se convierte en plasma y se convierte en conductor de corriente eléctrica.
Fotoionización.
La energía necesaria para extraer un electrón de un átomo o molécula puede transferirse mediante luz. Ionización
átomos o moléculas bajo la influencia de la luz se llama fotoionización.
Descarga eléctrica autónoma.
Cuando la intensidad del campo eléctrico aumenta hasta un cierto valor, dependiendo de la naturaleza del gas y su presión, surge una corriente eléctrica en el gas incluso sin la influencia de ionizadores externos. El fenómeno del paso de una corriente eléctrica a través de un gas, independientemente de la acción de ionizadores externos, se denomina descarga eléctrica independiente.
En el aire a presión atmosférica, se produce una descarga eléctrica independiente con una intensidad de campo eléctrico igual a aproximadamente
El principal mecanismo de ionización de gases durante una descarga eléctrica independiente es la ionización de átomos y moléculas debido a la exposición a electrones.
Ionización por impacto de electrones.
La ionización por impacto de electrones se hace posible cuando el electrón, durante su camino libre, adquiere una energía cinética que excede la energía de enlace del electrón con el átomo.
La energía cinética de un electrón adquirida bajo la influencia de un campo eléctrico de intensidad E es igual al trabajo realizado por las fuerzas del campo eléctrico:
¿Dónde está la longitud del camino libre?
Por tanto, la condición aproximada para el inicio de la ionización por impacto de electrones tiene la forma
La energía de enlace de los electrones en átomos y moléculas generalmente se expresa en electronvoltios (eV). 1 eV igual al trabajo, que produce el campo eléctrico al mover un electrón (u otra partícula con carga elemental) entre puntos de campo, cuyo voltaje es de 1 V:
La energía de ionización de un átomo de hidrógeno, por ejemplo, es de 13,6 eV.
Mecanismo de autodescarga.
El desarrollo de una descarga eléctrica independiente en un gas se produce de la siguiente manera. Un electrón libre bajo la influencia de un campo eléctrico adquiere aceleración. Si la intensidad del campo eléctrico es suficientemente alta, el camino libre del electrón aumenta su energía cinética tanto que lo ioniza al colisionar con una molécula.
El primer electrón, que provocó la ionización de la molécula, y el segundo electrón, liberado como resultado de la ionización, bajo la influencia de un campo eléctrico adquieren aceleración en la dirección del cátodo al ánodo. Cada uno de ellos, durante colisiones posteriores, libera un electrón más y numero total los electrones libres se convierten
igual a cuatro. Luego, de la misma forma, aumenta a 8, 16, 32, 64, etc. El número de electrones libres que se desplazan del cátodo al ánodo aumenta como una avalancha hasta llegar al ánodo (Fig. 165).
Los iones positivos formados en el gas se mueven bajo la influencia de un campo eléctrico desde el ánodo al cátodo. Cuando los iones positivos golpean el cátodo y bajo la influencia de la luz emitida durante el proceso de descarga, se pueden liberar nuevos electrones del cátodo. Estos electrones, a su vez, son acelerados por el campo eléctrico y crean nuevas avalanchas de iones de electrones, por lo que el proceso puede continuar de forma continua.
La concentración de iones en el plasma aumenta a medida que se desarrolla la descarga autosostenida y la resistencia eléctrica del espacio de descarga disminuye. La intensidad de la corriente en un circuito de autodescarga generalmente está determinada únicamente por la resistencia interna de la fuente de corriente y la resistencia eléctrica de otros elementos del circuito.
Descarga de chispas. Iluminación.
Si la fuente de corriente no es capaz de mantener una descarga eléctrica autosostenida durante mucho tiempo, entonces la descarga autosostenida que se produce se llama descarga por chispa. La descarga de chispa se detiene un corto período de tiempo después del inicio de la descarga como resultado de una disminución significativa del voltaje. Ejemplos de descarga de chispas son las chispas que se producen al peinarse el cabello, separar hojas de papel o descargar un condensador.
Los relámpagos observados durante una tormenta también representan una descarga eléctrica independiente. La intensidad de la corriente en el canal del rayo alcanza , la duración del pulso de corriente es de varias decenas de microsegundos. La descarga eléctrica independiente entre la nube de tormenta y la Tierra se detiene por sí sola después de varios rayos, ya que la mayoría de las cargas eléctricas excesivas en la nube de tormenta son neutralizadas por la corriente eléctrica que fluye a través del canal de plasma del rayo (Fig. 166).
Cuando aumenta la corriente en el canal del rayo, el plasma se calienta a una temperatura superior. Los cambios de presión en el canal del plasma del rayo con un aumento de la corriente y la terminación de la descarga provocan fenómenos sonoros llamados truenos.
Descarga luminosa.
A medida que disminuye la presión del gas en el espacio de descarga, el canal de descarga se ensancha y luego todo el tubo de descarga se llena uniformemente con plasma luminoso. Este tipo de descarga eléctrica independiente en los gases se denomina descarga luminiscente (Fig. 167).
Arco eléctrico.
Si la intensidad de la corriente en una descarga de gas autosostenida es muy alta, los impactos de iones y electrones positivos pueden provocar un calentamiento del cátodo y del ánodo. A altas temperaturas, los electrones se emiten desde la superficie del cátodo, lo que garantiza el mantenimiento de una descarga autosostenida en el gas. Una descarga eléctrica independiente a largo plazo en gases, mantenida por la emisión termoiónica del cátodo, se denomina descarga de arco (Fig. 168).
Descarga de corona.
En campos eléctricos altamente heterogéneos que se forman, por ejemplo, entre una punta y un plano o entre un cable y un plano (línea eléctrica), se produce una descarga independiente de un tipo especial, llamada descarga en corona. Durante una descarga de corona, la ionización por impacto de electrones ocurre sólo cerca de uno de los electrodos, en un área con alta intensidad de campo eléctrico.
Aplicación de descargas eléctricas.
Los impactos de electrones acelerados por un campo eléctrico conducen no solo a la ionización de átomos y moléculas de gas, sino también a
excitación de átomos y moléculas, acompañada de la emisión de luz. La emisión de luz a partir de plasma de descarga eléctrica autosostenida se utiliza ampliamente en economía nacional y en la vida cotidiana. Se trata de lámparas fluorescentes y lámparas de descarga de gas para el alumbrado público, un arco eléctrico en un aparato de proyección de películas y lámparas de cuarzo de mercurio utilizadas en hospitales y clínicas.
La alta temperatura del plasma de descarga de arco permite su uso para cortar y soldar estructuras metálicas y para fundir metales. Mediante descarga de chispas se procesan piezas fabricadas con los materiales más duros.
La descarga eléctrica en gases también puede ser un fenómeno indeseable que debe combatirse tecnológicamente. Por ejemplo, una descarga eléctrica en forma de corona procedente de los cables de las líneas eléctricas de alta tensión provoca pérdidas inútiles de electricidad. El aumento de estas pérdidas al aumentar el voltaje pone un límite al camino para aumentar aún más el voltaje en la línea eléctrica, mientras que dicho aumento es muy deseable para reducir las pérdidas de energía debido al calentamiento de los cables.
Supongamos que el gas en estudio está encerrado en un recipiente C con dos electrodos, a los que se aplica una diferencia de potencial. El campo eléctrico entre los electrodos se puede cambiar moviendo la corredera del potenciómetro que cierra la batería (Fig. III.42). ). Si no hay cargas libres en el gas (iones o electrones positivos o negativos), entonces no habrá corriente en el circuito del galvanómetro. Tenga en cuenta que los gases siempre contendrán una cierta cantidad de cargas, ya que el gas se ioniza tanto durante las inevitables colisiones térmicas de moléculas como bajo la influencia de diversas radiaciones, en particular,
de sustancias radioactivas. Sin embargo, simultáneamente con el proceso de ionización, es decir, la separación de moléculas neutras en iones cargados, en el gas ocurre el proceso inverso de molización o recombinación, es decir, la combinación de iones en moléculas neutras. EN estado de equilibrio ambos gases. Los procesos están equilibrados: el número de moléculas que se ionizan cada segundo es igual al número de moléculas neutras recién formadas a partir de iones durante el mismo tiempo.
Si no hay un efecto ionizante externo sobre el gas, entonces la concentración natural de iones en él será muy pequeña y la corriente a través del gas será prácticamente indetectable. Es posible provocar una corriente eléctrica notable en un gas (la llamada descarga de gas) si: 1) con la ayuda de una influencia externa (un ionizador), se rompen continuamente las moléculas de gas neutro en iones y, por lo tanto, se aumenta la concentración de cargas libres en el gas. Esto se puede hacer exponiendo el gas a una intensa irradiación con un flujo de partículas rápidas (electrones, etc.), ultravioleta, rayos X, rayos de sustancias radiactivas, además de aumentar la temperatura del gas para aumentar la intensidad de la ionización durante las colisiones térmicas. En este caso, junto con la terminación del ionizador externo, también se detiene la corriente a través de los gases; dicha conductividad de un gas se denomina no autosostenida; 2) aplicar una diferencia de potencial tan grande que los iones presentes en el gas, al acelerarse en el campo eléctrico, adquieran energías suficientes para ionizar moléculas neutras al chocar con ellas. En este caso, cada ion en una colisión provoca la aparición de dos o más iones; estos iones, a su vez, se aceleran en el campo y rompen las moléculas neutras en iones. Por tanto, la cantidad de iones en el gas aumenta rápidamente y el gas adquiere una conductividad notable; dicha conductividad se llama independiente.
Es necesario distinguir entre dos tipos de colisiones entre partículas, en particular entre iones, electrones y moléculas neutras. En algunas colisiones las partículas no experimentan ninguna cambios internos, pero solo intercambian energías cinéticas de movimiento. Estas colisiones se denominan elásticas; la suma de las energías cinéticas de las partículas antes y después del impacto permanece constante.
En otras colisiones, inelásticas, los átomos y moléculas experimentan cambios en su estructura; hay una transición de la energía cinética de las partículas en colisión a la energía potencial de interacción entre las partes constituyentes de estos átomos y moléculas: núcleos y electrones que giran a su alrededor. Este proceso se llama excitación de átomos o moléculas; al volver a Condicion normal la energía absorbida se devuelve como energía radiante. Finalmente, cuando colisiones inelásticas también es posible
cambios en la composición de átomos y moléculas; en particular, una molécula neutra puede dividirse en dos iones o un electrón puede separarse de un átomo, etc. La ionización de gases durante las colisiones es el resultado de colisiones inelásticas.
Para la conductividad de los gases, en determinadas condiciones (en particular, a bajas presiones de gas en el recipiente), la eliminación de electrones de la superficie del cátodo cuando caen sobre él iones positivos es de gran importancia. Cada uno de estos iones puede liberar varios electrones del cátodo, dependiendo de la energía adquirida por él en el campo eléctrico, así como de la función de trabajo del electrón de la sustancia catódica. Los electrones liberados del cátodo, captados por el campo eléctrico, pueden provocar la ionización del gas en su camino hacia el ánodo; Además, este flujo ordenado de electrones constituye una fracción determinada (a veces significativa) de la corriente total que fluye a través del gas:
Si la corriente que pasa a través de los gases es pequeña y no puede ser detectada directamente por un galvanómetro, entonces recurra a métodos indirectos. En particular, como se muestra en la Fig. III.42, se conecta al circuito una resistencia del orden de decenas y cientos de millones de ohmios en serie con el espacio de gas. En los extremos de esta resistencia se forma una diferencia de potencial que se mide, por ejemplo, con un voltímetro de lámpara que no cortocircuite los extremos de esta resistencia. Luego, conociendo y midiendo, se puede calcular la intensidad de la corriente a través del gas. Por ejemplo, si , entonces.
Corriente eléctrica en gases y líquidos.
Corriente eléctrica en gases.
Portadores de carga: electrones, iones positivos, iones negativos.
Los portadores de carga aparecen en el gas como resultado de la ionización: debido a la irradiación del gas o a las colisiones de partículas de gas calentadas entre sí.
Ionización por impacto de electrones.
E – dirección del campo;
l es el camino libre medio entre dos colisiones sucesivas de un electrón con átomos de gas.
A_=eEl\geq W – condición de ionización
W – energía de ionización, es decir Energía necesaria para extraer un electrón de un átomo.
El número de electrones aumenta exponencialmente, lo que produce una avalancha de electrones y, en consecuencia, una descarga en el gas.
Corriente eléctrica en líquido.
Líquidos así como sólidos pueden ser dieléctricos, conductores y semiconductores. Los dieléctricos incluyen agua destilada, los conductores incluyen soluciones de electrolitos: ácidos, álcalis, sales y metales fundidos. Los semiconductores líquidos son selenio fundido y sulfuros fundidos.
Cuando los electrolitos se disuelven bajo la influencia del campo eléctrico de las moléculas de agua polares, las moléculas de electrolitos se desintegran en iones. Por ejemplo, CuSO_ \rightarrow Cu^ +SO^ _ .
Junto con la disociación hay un proceso inverso: recombinación, es decir. Combinando iones de signos opuestos en moléculas neutras.
Los portadores de electricidad en soluciones de electrolitos son iones. Esta conductividad se llama iónico .
Si los electrodos se colocan en un baño con una solución electrolítica y se aplica corriente, los iones negativos se moverán al electrodo positivo y los iones positivos al negativo.
En el ánodo (electrodo positivo), los iones cargados negativamente ceden electrones adicionales (reacción de oxidación) y en el cátodo (electrodo negativo), los iones positivos reciben los electrones faltantes (reacción de reducción).
Definición. El proceso de liberación de sustancias en electrodos asociado con reacciones redox se llama electrólisis.
las leyes de faraday
I. La masa de sustancia que se libera sobre el electrodo es directamente proporcional a la carga que fluye a través del electrolito:
k es el equivalente electroquímico de la sustancia.
q=I\Delta t , entonces
\frac – equivalente químico de la sustancia;
\mu – masa molar;
Los equivalentes electroquímicos de sustancias son proporcionales a los químicos.
F – constante de Faraday;
Ley unificada de electrólisis.
Sustituyendo k en la expresión de m (Primera Ley de Faraday), obtenemos:
Significado físico del equivalente electroquímico.
Equivalente electroquímico igual a la proporción la masa del ion a su carga:
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CORRIENTE ELÉCTRICA EN GASES
En condiciones normales, el gas es un dieléctrico, es decir. está formado por átomos y moléculas neutros y no contiene portadores libres de corriente eléctrica.
El gas conductor es un gas ionizado. El gas ionizado tiene conductividad de iones de electrones.
El aire es un dieléctrico en líneas eléctricas, condensadores de aire e interruptores de contacto.
El aire es conductor cuando ocurren rayos, chispa eléctrica, cuando se produce un arco de soldadura.
Es la desintegración de átomos o moléculas neutros en iones y electrones positivos mediante la eliminación de electrones de los átomos. La ionización se produce cuando un gas se calienta o se expone a radiaciones (UV, rayos X, radiactivas) y se explica por la desintegración de átomos y moléculas durante colisiones a altas velocidades.
- esta es la corriente eléctrica en gases ionizados.
Los portadores de carga son iones positivos y electrones. La descarga de gas se observa en los tubos de descarga de gas (lámparas) cuando se exponen a un campo eléctrico o magnético.
Recombinación de partículas cargadas.
— el gas deja de ser conductor si cesa la ionización, esto se produce como resultado de la recombinación (reunión de partículas con cargas opuestas).
Hay una descarga de gas autosostenida y no autosostenida.
Descarga de gas no autosostenida
- si se detiene la acción del ionizador, también se detendrá la descarga.
Cuando la descarga alcanza la saturación, la gráfica se vuelve horizontal. En este caso, la conductividad eléctrica del gas es causada únicamente por la acción del ionizador.
Descarga de gas autosostenida
— en este caso, la descarga de gas continúa incluso después de la interrupción del ionizador externo debido a los iones y electrones resultantes de la ionización por impacto (= ionización por descarga eléctrica); ocurre cuando aumenta la diferencia de potencial entre los electrodos (se produce una avalancha de electrones).
Una descarga de gas no autosostenida puede transformarse en una descarga de gas autosostenida cuando Ua = Uignición.
Avería eléctrica del gas.
— el proceso de transición de una descarga de gas no autosostenida a una autosuficiente.
Se produce una descarga de gas autosostenida. 4 tipos:
1. ardiendo, a bajas presiones (hasta varios mm Hg), observado en tubos de luz de gas y láseres de gas.
2. chispa: a presión normal y alta intensidad de campo eléctrico (rayo: intensidad de corriente de hasta cientos de miles de amperios).
3. corona: a presión normal en un campo eléctrico no uniforme (en la punta).
4. arco: alta densidad de corriente, bajo voltaje entre los electrodos (temperatura del gas en el canal del arco -5000-6000 grados Celsius); observados en focos y equipos de proyección de películas.
Se observan estas descargas:
ardiendo - en lámparas fluorescentes;
chispa - en un relámpago;
corona - en precipitadores eléctricos, durante fugas de energía;
arco: durante la soldadura, en lámparas de mercurio.
- este es el cuarto estado de agregación de la materia con alto grado ionización debido a la colisión de moléculas en alta velocidad a alta temperatura; encontrado en la naturaleza: la ionosfera es un plasma débilmente ionizado, el Sol es un plasma completamente ionizado; plasma artificial - en lámparas de descarga de gas.
Baja temperatura: a temperaturas inferiores a 100.000 K;
alta temperatura: a temperaturas superiores a 100.000 K.
Propiedades básicas del plasma:
– alta conductividad eléctrica
— interacción fuerte con campos eléctricos y magnéticos externos.
a una temperatura 
Cualquier sustancia se encuentra en estado plasmático.
Curiosamente, el 99% de la materia del Universo es plasma.
Otras páginas sobre el tema “Electricidad” para los grados 10-11:
clase-fizika.narod.ru
Leyes de la corriente eléctrica en gases.
Sitio web oficial del Centro ANO DO "Logos", Glazov
PREPÁRATE PARA LA LECCIÓN
Corriente eléctrica en diversos ambientes, un poco de física:
La corriente eléctrica es cualquier movimiento ordenado de cargas eléctricas. La corriente eléctrica puede pasar varias sustancias bajo ciertas condiciones. Una de las condiciones para la aparición de una corriente eléctrica es la presencia de cargas libres que pueden moverse bajo la influencia de un campo eléctrico.
Por tanto, en este apartado intentaremos establecer qué partículas transportan carga eléctrica en diversos medios.
Corriente eléctrica en metales.
Los metales constan de iones cargados positivamente ubicados en los sitios de una red cristalina y una colección de electrones libres. Fuera de un campo eléctrico, los electrones libres se mueven caóticamente, como moléculas. gas ideal, y por lo tanto se consideran en el clásico teoría del electrón Cómo gas de electrones .
Bajo la influencia de un campo eléctrico externo, cambia la naturaleza del movimiento de los electrones libres dentro del metal. Los electrones, continuando sus movimientos caóticos, al mismo tiempo se desplazan en la dirección de las fuerzas del campo eléctrico.
Por eso, corriente eléctrica en metales es el movimiento ordenado de los electrones.
Fuerza actual en un conductor metálico. determinado por la fórmula:
Dónde I- intensidad de corriente en el conductor, mi— módulo de carga de electrones, norte 0 — concentración de electrones de conducción, — velocidad media del movimiento ordenado de electrones, S
La densidad de corriente de conducción es numéricamente igual a la carga que pasa a través de una unidad de superficie perpendicular a la dirección de la corriente en 1 s.
Dónde j- densidad actual.
En la mayoría de los metales, casi todos los átomos están ionizados. Y dado que la concentración de electrones de conducción de un metal monovalente es igual a
Dónde N / A- la constante de Avogadro, A- masa atomica metal, ρ - densidad del metal,
entonces encontramos que la concentración se determina dentro del rango de 10 28 - 10 29 m -3.
Ley de Ohm para una sección homogénea de una cadena:
Dónde Ud.- tensión en la zona, R— resistencia de la zona.
Para una sección de cadena homogénea:
Dónde ρ Ud.- resistencia específica del conductor, l— longitud del conductor, S- área de la sección transversal del conductor.
La resistividad de un conductor depende de la temperatura y esta dependencia se expresa mediante la relación:
Dónde tu - resistividad de un conductor metálico a una temperatura T = 273K, α — coeficiente térmico de resistencia, ∆T = T - T o - cambio de temperatura.
Características corriente-tensión de los metales.
Según la ley de Ohm, la intensidad de la corriente en los conductores es directamente proporcional al voltaje. Esta dependencia ocurre para conductores con una resistencia estrictamente especificada ( para resistencias).
La tangente de la pendiente de la gráfica es igual a la conductividad del conductor. Conductividad llamado recíproco de resistencia
Pero como la resistencia de los metales depende de la temperatura, la característica corriente-voltaje de los metales no es lineal.
Corriente eléctrica en soluciones y masas fundidas de electrolitos.
El fenómeno de descomposición de moléculas de sales, álcalis y ácidos en agua en iones de signos opuestos se llama disociación electrolítica. Los iones resultantes de la desintegración sirven como portadores de carga en el líquido y el líquido mismo se convierte en conductor.
Fuera del campo eléctrico, los iones se mueven caóticamente. Bajo la influencia de un campo eléctrico externo, los iones, continuando sus movimientos caóticos, son al mismo tiempo desplazados en la dirección de las fuerzas del campo eléctrico: cationes al cátodo, aniones al ánodo.
Por eso, corriente eléctrica en soluciones (fundidas) de electrolitos es el movimiento dirigido de iones de ambos signos en direcciones opuestas.
El paso de una corriente eléctrica a través de una solución electrolítica siempre va acompañado de la liberación de sustancias incluidas en su composición sobre los electrodos. Este fenómeno se llama electrólisis .
Cuando se mueven dentro de los electrolitos, los iones interactúan con las moléculas de agua y otros iones, es decir. Los electrolitos ejercen cierta resistencia al movimiento y, por tanto, tienen resistencia. La resistencia eléctrica de los electrolitos depende de la concentración de iones, la magnitud de la carga del ion y la velocidad de movimiento de los iones de ambos signos.
La resistencia de los electrolitos también está determinada por la fórmula:
Dónde ρ Ud.— resistencia específica del electrolito, l— longitud del conductor líquido, S es el área de la sección transversal del conductor líquido.
A medida que aumenta la temperatura del electrolito, su viscosidad disminuye, lo que conduce a un aumento en la velocidad del movimiento de los iones. Aquellos. A medida que aumenta la temperatura, la resistencia del electrolito disminuye.
1. La masa de la sustancia liberada en el electrodo es directamente proporcional a la carga eléctrica que pasa a través del electrolito.
Dónde metro- masa de sustancia liberada en el electrodo, k- equivalente electroquímico, q- carga que pasa a través del electrolito.
2. El equivalente electroquímico de una sustancia es directamente proporcional a su equivalente químico.
Dónde METRO- masa molar de la sustancia, F- la constante de faraday z es la valencia del ion.
la constante de faraday es numéricamente igual a la carga que debe pasar a través del electrolito para liberar de él una masa de sustancia numéricamente igual al equivalente químico.
Ley combinada de Faraday.
Corriente eléctrica en gases.
En condiciones normales Los gases están formados por moléculas neutras y, por tanto, son dieléctricos. Dado que la presencia de partículas cargadas es necesaria para producir una corriente eléctrica, las moléculas de gas deben ionizarse (eliminarse electrones de las moléculas). Para ionizar moléculas es necesario gastar energía. energía de ionización, cuya cantidad depende del tipo de sustancia. Por tanto, la energía de ionización es mínima para los átomos de metales alcalinos y máxima para los gases inertes.
Las moléculas se pueden ionizar calentando un gas o irradiándolo con varios tipos de rayos. Gracias a la energía adicional, aumenta la velocidad de movimiento de las moléculas, aumenta la intensidad de su movimiento térmico y, en caso de colisión, las moléculas individuales pierden electrones y se convierten en iones cargados positivamente.
Los electrones que se desprenden de una molécula pueden unirse a moléculas neutras, formando iones cargados negativamente.
Por tanto, durante la ionización aparecen tres tipos de portadores de carga: iones positivos, iones negativos y electrones.
Bajo la influencia de un campo eléctrico externo, los iones tanto de signo como de electrones se mueven en la dirección de las fuerzas del campo eléctrico: iones positivos al cátodo, iones negativos y electrones al ánodo. Aquellos. corriente eléctrica en gases Es el movimiento ordenado de iones y electrones bajo la influencia de un campo eléctrico.
Características corriente-voltaje de los gases.
La dependencia de la corriente del voltaje se expresa mediante la curva OABC.
En la sección del gráfico OA, la intensidad actual obedece a la ley de Ohm. A bajo voltaje, la intensidad de la corriente es pequeña, porque Los iones que se mueven a bajas velocidades se recombinan sin llegar a los electrodos. A medida que aumenta el voltaje entre los electrodos, aumenta la velocidad del movimiento direccional de electrones e iones, por lo que la mayoría de las partículas cargadas llegan a los electrodos y, en consecuencia, aumenta la corriente.
A un determinado valor de voltaje U1, todos los iones tienen velocidades suficientes y, sin recombinarse, llegan a los electrodos. La corriente se vuelve la máxima posible y no depende de un aumento adicional de voltaje al valor U 2. Esta corriente se llama corriente de saturación, y le corresponde la sección AB del gráfico.
A un voltaje U 2 de varios miles de voltios, la velocidad de los electrones que surgen de la ionización de las moléculas y, por tanto, su energía cinética, aumenta significativamente. Y cuando la energía cinética alcanza el valor de energía de ionización, los electrones que chocan con moléculas neutras las ionizan. Una ionización adicional conduce a un aumento similar a una avalancha en el número de partículas cargadas y, en consecuencia, a un aumento significativo de la corriente sin la influencia de un ionizador externo. El paso de corriente eléctrica sin la influencia de un ionizador externo se llama descarga independiente. Esta dependencia se expresa mediante la sección del gráfico AC.
Corriente eléctrica en el vacío.
No hay partículas cargadas en el vacío y, por tanto, es un dieléctrico. Aquellos. es necesario crear ciertas condiciones que ayuden a producir partículas cargadas.
Hay electrones libres en los metales. A temperatura ambiente, no pueden abandonar el metal porque están retenidos en él por las fuerzas de atracción de Coulomb de los iones positivos. Para superar estas fuerzas, el electrón debe gastar cierta energía, que se llama función del trabajo. Energía, grande o igual al trabajo liberación, se pueden obtener electrones cuando el metal se calienta a altas temperaturas.
Cuando un metal se calienta, la cantidad de electrones con energía cinética, mas trabajo salida, aumenta, por lo que sale volando del metal. gran cantidad electrones. La emisión de electrones de los metales cuando se calientan se llama emisión termoiónica. Para realizar la emisión termoiónica se utiliza como uno de los electrodos un fino filamento de alambre de metal refractario (filamento incandescente). Un filamento conectado a una fuente de corriente se calienta y los electrones salen volando de su superficie. Los electrones emitidos entran en el campo eléctrico entre los dos electrodos y comienzan a moverse direccionalmente, creando una corriente eléctrica.
El fenómeno de la emisión termoiónica subyace al principio de funcionamiento de los tubos electrónicos: diodo de vacío, triodo de vacío.
Diodo de vacío Triodo de vacío
Característica corriente-voltaje de un diodo de vacío.
La dependencia de la corriente del voltaje se expresa mediante la curva OABC D.
Cuando se emiten electrones, el cátodo se vuelve Carga positiva y por lo tanto mantiene los electrones cerca de sí mismo. En ausencia de un campo eléctrico entre el cátodo y el ánodo, los electrones emitidos forman una nube de electrones en el cátodo.
A medida que aumenta el voltaje entre el ánodo y el cátodo, fluyen más electrones hacia el ánodo y, por lo tanto, aumenta la corriente. Esta dependencia se expresa mediante la sección del gráfico OAB. La sección AB caracteriza la dependencia directa de la corriente del voltaje, es decir en el rango de tensión U 1 - U 2 se cumple la ley de Ohm.
La dependencia no lineal en la sección BC D se explica por el hecho de que el número de electrones que corren hacia el ánodo se vuelve mayor que el número de electrones que escapan del cátodo.
cuando sea suficiente gran importancia voltaje U 3 todos los electrones emitidos por el cátodo llegan al ánodo y la corriente eléctrica alcanza la saturación.
También puedes utilizarlo como fuente de partículas cargadas. droga radioactiva emitiendo partículas α Bajo la influencia de las fuerzas del campo eléctrico, las partículas α se moverán, es decir. se producirá una corriente eléctrica.
Por tanto, se puede crear una corriente eléctrica en el vacío mediante el movimiento ordenado de cualquier partícula cargada (electrones, iones).
Corriente eléctrica en semiconductores.
Los semiconductores son sustancias cuya resistividad disminuye al aumentar la temperatura y depende de la presencia de impurezas y cambios en la iluminación. La resistividad de los conductores a temperatura ambiente está en el rango de 10 -3 a 10 7 ohmios. Los representantes típicos de los semiconductores son los cristales de germanio y silicio.
En estos cristales, los átomos están conectados entre sí mediante un enlace covalente. cuando se calienta enlace covalente se interrumpe, los átomos se ionizan. Esto provoca la aparición de electrones libres y "agujeros", lugares positivos vacantes a los que les falta un electrón.
En este caso, los electrones de los átomos vecinos pueden ocupar posiciones vacantes, formando un "agujero" en el átomo vecino. Así, no sólo los electrones, sino también los "huecos" pueden moverse alrededor del cristal. Cuando un cristal de este tipo se coloca en un campo eléctrico, los electrones y los huecos entrarán en movimiento ordenado: surgirá una corriente eléctrica.
En un cristal puro, se crea una corriente eléctrica mediante un número igual de electrones y "huecos". La conductividad causada por el movimiento de electrones libres y un número igual de "agujeros" en un cristal semiconductor sin impurezas se llama conductividad intrínseca del semiconductor .
A medida que aumenta la temperatura, aumenta la conductividad intrínseca del semiconductor, porque aumenta el número de electrones libres y “huecos”.
La conductividad de los conductores depende de la presencia de impurezas. Hay impurezas donantes y aceptoras. Impureza donante- una impureza con una valencia más alta. Por ejemplo, para el silicio tetravalente la impureza donante es el arsénico pentavalente. cuatro electrón de valencia Los átomos de arsénico participan en la creación de un enlace covalente y el quinto se convertirá en un electrón de conducción.
Cuando se calienta, el enlace covalente se rompe y aparecen electrones de conducción y "agujeros" adicionales. Por tanto, en un cristal el número de electrones libres prevalece sobre el número de “huecos”. La conductividad de dicho conductor es electrónica; semiconductor tipo n. Los electrones son principales transportistas carga, “agujeros” - no básico .
Aceptador mezcla- una impureza con una valencia más baja. Por ejemplo, para el silicio tetravalente, la impureza aceptora es el indio trivalente. Tres electrones de valencia del átomo de indio participan en la creación de un enlace covalente con tres átomos de silicio y se forma un "agujero" en lugar del cuarto enlace covalente incompleto.
Cuando se calienta, el enlace covalente se rompe y aparecen electrones de conducción y "agujeros" adicionales. Por tanto, en un cristal prevalece el número de “huecos” sobre el número de electrones libres. La conductividad de dicho conductor es hueca, la del semiconductor es semiconductor tipo p. Los "agujeros" son principales transportistas carga, electrones - no básico .
Cuando los semiconductores de tipo p y tipo n entran en contacto a través del límite, los electrones se difunden desde la región n a la región p y los "agujeros" de la región p a la región n. Esto da como resultado la formación de una capa de barrera que evita una mayor difusión. La unión p-n tiene conductividad unidireccional.
En conexión pn Al pasar a la fuente de corriente, de modo que la región p esté conectada al polo positivo y la región n al polo negativo, aparece el movimiento de los principales portadores de carga a través de la capa de contacto. Este método de conexión se llama conexión directa.
Cuando una unión p-n se conecta a una fuente de corriente de modo que la región p está conectada al polo negativo y la región n al polo positivo, el espesor de la capa de bloqueo aumenta y el movimiento de los portadores de carga mayoritarios a través del contacto La capa se detiene, pero puede ocurrir el movimiento de cargas minoritarias a través de la capa de contacto. Este método de conexión se llama conexión inversa.
El principio de funcionamiento de un diodo semiconductor se basa en la propiedad de conductividad unidireccional de la unión p-n. La principal aplicación de un diodo semiconductor es un rectificador de corriente.
Característica corriente-voltaje de un diodo semiconductor.
La dependencia de la corriente del voltaje se expresa mediante la curva AOB.
La rama OB corresponde a la dirección de paso de la corriente, cuando la corriente es creada por los principales portadores de carga y, a medida que aumenta el voltaje, aumenta la intensidad de la corriente. La rama AO corresponde a la corriente creada por los portadores de carga minoritarios, y los valores actuales son pequeños.
No existen dieléctricos absolutos en la naturaleza. El movimiento ordenado de partículas, portadoras de carga eléctrica, es decir, corriente, puede producirse en cualquier entorno, pero esto requiere condiciones especiales. Aquí veremos cómo fenómenos eléctricos en los gases y cómo un gas puede pasar de ser un muy buen dieléctrico a un muy buen conductor. Nos interesarán las condiciones en las que se produce la corriente eléctrica en los gases, así como las características que la caracterizan.
Propiedades eléctricas de los gases.
Un dieléctrico es una sustancia (medio) en la que la concentración de partículas (portadores de carga eléctrica libres) no alcanza ningún valor significativo, por lo que la conductividad es insignificante. Todos los gases son buenos dieléctricos. Sus propiedades aislantes se utilizan en todas partes. Por ejemplo, en cualquier interruptor, el circuito se abre cuando los contactos se colocan en una posición tal que se forma un espacio de aire entre ellos. Los cables de las líneas eléctricas también están aislados entre sí por una capa de aire.
La unidad estructural de cualquier gas es una molécula. Consiste en núcleos atómicos y las nubes de electrones, es decir, es un conjunto de cargas eléctricas distribuidas de alguna manera en el espacio. Debido a las peculiaridades de su estructura, una molécula de gas puede polarizarse bajo la influencia de un campo eléctrico externo. La gran mayoría de las moléculas que forman un gas son eléctricamente neutras en condiciones normales, ya que las cargas que contienen se anulan entre sí.
Si se aplica un campo eléctrico a un gas, las moléculas adoptarán una orientación dipolar, ocupando una posición espacial que compensa el efecto del campo. Las partículas cargadas presentes en el gas, bajo la influencia de las fuerzas de Coulomb, comenzarán a moverse: iones positivos - hacia el cátodo, iones negativos y electrones - hacia el ánodo. Sin embargo, si el campo tiene potencial insuficiente, no se produce un único flujo dirigido de cargas, sino que se puede hablar más bien de corrientes individuales, tan débiles que deberían despreciarse. El gas se comporta como un dieléctrico.
Por tanto, para la aparición de corriente eléctrica en los gases se requiere una alta concentración de portadores de carga libres y la presencia de un campo.
Ionización
El proceso de aumento, similar a una avalancha, en el número de cargas libres en un gas se llama ionización. En consecuencia, el gas en el que hay cantidad considerable Las partículas cargadas se llaman ionizadas. Es en estos gases donde se crea una corriente eléctrica.
El proceso de ionización está asociado con una violación de la neutralidad de las moléculas. Debido a la eliminación de un electrón, surgen iones positivos; la adición de un electrón a una molécula conduce a la formación; Ion negativo. Además, el gas ionizado contiene muchos electrones libres. Los iones positivos y especialmente los electrones son los principales portadores de carga durante la corriente eléctrica en los gases.
La ionización ocurre cuando se imparte una cierta cantidad de energía a una partícula. Por tanto, el electrón externo de la molécula, habiendo recibido esta energía, puede abandonar la molécula. Las colisiones mutuas de partículas cargadas con partículas neutras provocan la eliminación de nuevos electrones y el proceso adquiere un carácter similar a una avalancha. También aumenta la energía cinética de las partículas, lo que favorece en gran medida la ionización.
¿De dónde proviene la energía gastada para excitar la corriente eléctrica en los gases? La ionización de gases tiene varias fuentes de energía, según las cuales se suelen denominar sus tipos.
- Ionización por campo eléctrico. En este caso energía potencial Los campos se convierten en energía cinética de las partículas.
- Ionización térmica. Un aumento de temperatura también conduce a la formación gran cantidad cargos gratuitos.
- Fotoionización. La esencia este proceso es que la energía es impartida a los electrones por cuantos radiación electromagnética- fotones, si tienen una frecuencia suficientemente alta (ultravioleta, rayos X, cuantos gamma).
- La ionización por impacto resulta de la conversión de la energía cinética de partículas en colisión en energía de separación de electrones. Junto con la ionización térmica, sirve como factor principal en la excitación de la corriente eléctrica en los gases.
Cada gas se caracteriza por un cierto valor umbral: la energía de ionización necesaria para que un electrón se separe de la molécula y supere la barrera de potencial. Este valor para el primer electrón oscila entre varios voltios y dos decenas de voltios; Para eliminar el siguiente electrón de una molécula, se necesita más energía, y así sucesivamente.
Debe tenerse en cuenta que simultáneamente con la ionización en el gas ocurre el proceso inverso: la recombinación, es decir, la restauración de moléculas neutras bajo la influencia de las fuerzas de atracción de Coulomb.
Descarga de gas y sus tipos.
Entonces, la corriente eléctrica en los gases es causada por el movimiento ordenado de partículas cargadas bajo la influencia de un campo eléctrico que se les aplica. La presencia de tales cargas, a su vez, es posible debido a diversos factores de ionización.
Por lo tanto, la ionización térmica requiere temperaturas significativas, pero una llama abierta debido a algunos procesos quimicos Promueve la ionización. Incluso a temperaturas relativamente bajas, en presencia de una llama, se registra la aparición de una corriente eléctrica en los gases, y los experimentos con la conductividad de los gases permiten comprobarlo fácilmente. Es necesario colocar la llama de un quemador o una vela entre las placas de un condensador cargado. El circuito que anteriormente estaba abierto debido al entrehierro en el condensador se cerrará. Un galvanómetro conectado al circuito indicará la presencia de corriente.
La corriente eléctrica en los gases se llama descarga de gas. Hay que tener en cuenta que para mantener la estabilidad de la descarga la acción del ionizador debe ser constante, ya que debido a la recombinación constante el gas pierde sus propiedades eléctricamente conductoras. Algunos portadores de corriente eléctrica en los gases (iones) se neutralizan en los electrodos, otros (electrones) cuando llegan al ánodo se dirigen al "más" de la fuente de campo. Si el factor ionizante deja de actuar, el gas inmediatamente volverá a ser dieléctrico y la corriente se detendrá. Esta corriente, que depende de la acción de un ionizador externo, se denomina descarga no autosostenida.
Las peculiaridades del paso de la corriente eléctrica a través de los gases se describen por una dependencia especial de la corriente del voltaje: la característica corriente-voltaje.
Consideremos el desarrollo de una descarga de gas en el gráfico de la dependencia corriente-voltaje. Cuando el voltaje aumenta a un cierto valor U 1, la corriente aumenta en proporción a él, es decir, se cumple la ley de Ohm. La energía cinética aumenta y, por tanto, la velocidad de las cargas en el gas, y este proceso supera a la recombinación. En valores de voltaje de U 1 a U 2, esta relación se viola; cuando se alcanza U2, todos los portadores de carga llegan a los electrodos sin tener tiempo de recombinarse. Se utilizan todas las cargas libres y un aumento adicional de voltaje no conduce a un aumento de corriente. Este tipo de movimiento de cargas se llama corriente de saturación. Así, podemos decir que la corriente eléctrica en los gases también se debe a las peculiaridades del comportamiento del gas ionizado en campos eléctricos de diversas intensidades.
Cuando la diferencia de potencial entre los electrodos alcanza un cierto valor U 3 , el voltaje se vuelve suficiente para que el campo eléctrico cause una ionización del gas similar a una avalancha. La energía cinética de los electrones libres ya es suficiente para la ionización por impacto de las moléculas. Su velocidad en la mayoría de los gases es de unos 2000 km/s y superiores (se calcula mediante la fórmula aproximada v=600 Ui, donde Ui es el potencial de ionización). En este momento se produce la descomposición del gas y un aumento significativo de la corriente debido a fuente interna ionización. Por lo tanto, dicha categoría se llama independiente.
La presencia de un ionizador externo en este caso ya no influye en el mantenimiento de la corriente eléctrica en los gases. Descarga independiente en diferentes condiciones y con diferentes características de la fuente del campo eléctrico, puede tener ciertas características. Existen tipos de autodescarga como incandescencia, chispa, arco y corona. Veremos brevemente cómo se comporta la corriente eléctrica en los gases para cada uno de estos tipos.
Una diferencia de potencial de 100 (o incluso menos) a 1000 voltios es suficiente para iniciar una autodescarga. Por lo tanto, una descarga luminosa, caracterizada por un valor de corriente bajo (de 10 -5 A a 1 A), se produce a presiones de no más de unos pocos milímetros de mercurio.
En un tubo con gas enrarecido y electrodos fríos, la descarga luminosa que se forma parece un fino cordón incandescente entre los electrodos. Si continúa bombeando gas desde el tubo, el cordón se lavará y, a presiones de décimas de milímetro de mercurio, el brillo llena el tubo casi por completo. Cerca del cátodo no hay luz, en el llamado espacio oscuro del cátodo. El resto se llama columna positiva. En este caso, los procesos principales que aseguran la existencia de la descarga se localizan precisamente en el espacio del cátodo oscuro y en el área adyacente a él. Aquí, las partículas de gas cargadas se aceleran, expulsando electrones del cátodo.
En una descarga luminosa, la causa de la ionización es la emisión de electrones del cátodo. Los electrones emitidos por el cátodo producen ionización por impacto de las moléculas de gas, los iones positivos resultantes provocan una emisión secundaria del cátodo, y así sucesivamente. El brillo de una columna positiva se debe principalmente a la liberación de fotones por las moléculas de gas excitadas, y diferentes gases se caracterizan por un brillo de un determinado color. La columna positiva participa en la formación de la descarga luminosa sólo como sección. circuito eléctrico. Si acercas los electrodos, puedes hacer que la columna positiva desaparezca, pero la descarga no se detendrá. Sin embargo, si se reduce aún más la distancia entre los electrodos, la descarga luminosa no puede existir.
Cabe señalar que para de este tipo Corriente eléctrica en gases, la física de algunos procesos aún no se ha aclarado por completo. Por ejemplo, la naturaleza de las fuerzas que provocan un aumento de la corriente para expandir la región de la superficie del cátodo que participa en la descarga aún no está clara.
Descarga de chispa
La ruptura por chispa tiene una naturaleza pulsada. Ocurre a presiones cercanas a la presión atmosférica normal, en los casos en que la potencia de la fuente del campo eléctrico es insuficiente para mantener una descarga estacionaria. La intensidad del campo es alta y puede alcanzar los 3 MV/m. El fenómeno se caracteriza fuerte aumento descarga corriente eléctrica en el gas, al mismo tiempo el voltaje cae extremadamente rápido y la descarga se detiene. Luego la diferencia de potencial vuelve a aumentar y se repite todo el proceso.
Con este tipo de descarga se forman canales de chispas de corta duración, cuyo crecimiento puede comenzar desde cualquier punto entre los electrodos. Esto se debe a que la ionización por impacto se produce de forma aleatoria en los lugares donde actualmente se concentra. mayor número iones. Cerca del canal de chispa, el gas se calienta rápidamente y experimenta expansión térmica, causando ondas acusticas. Por lo tanto, una descarga de chispa va acompañada de un crujido, así como de la liberación de calor y un brillo brillante. Los procesos de ionización de avalancha se generan en el canal de chispa. alta presión y temperaturas de hasta 10 mil grados y más.
El ejemplo más claro de descarga de chispa natural es el rayo. El diámetro del canal principal de chispas del rayo puede variar desde unos pocos centímetros hasta 4 m, y la longitud del canal puede alcanzar los 10 km. La intensidad actual alcanza los 500 mil amperios y la diferencia de potencial entre una nube de tormenta y la superficie de la Tierra alcanza los mil millones de voltios.
El rayo más largo, de 321 km de longitud, se observó en 2007 en Oklahoma, EE.UU. El récord de mayor duración lo tiene un rayo registrado en 2012 en los Alpes franceses: duró más de 7,7 segundos. Cuando cae un rayo, el aire puede calentarse hasta 30 mil grados, 6 veces más que la temperatura de la superficie visible del Sol.
En los casos en que la potencia de la fuente del campo eléctrico es suficientemente alta, la descarga de chispa se convierte en una descarga de arco.
Este tipo de autodescarga se caracteriza por una alta densidad de corriente y un voltaje bajo (menos que una descarga luminosa). La distancia de ruptura es corta debido a la proximidad de los electrodos. La descarga se inicia mediante la emisión de un electrón desde la superficie del cátodo (para los átomos metálicos el potencial de ionización es pequeño en comparación con las moléculas de gas). Durante una avería, se crean condiciones entre los electrodos bajo las cuales el gas conduce corriente eléctrica y se produce una descarga de chispa que cierra el circuito. Si la potencia de la fuente de voltaje es lo suficientemente alta, las descargas de chispas se convierten en un arco eléctrico estable.
La ionización durante una descarga de arco alcanza casi el 100%, la corriente es muy alta y puede oscilar entre 10 y 100 amperios. A presión atmosférica, el arco puede calentarse hasta 5-6 mil grados y el cátodo, hasta 3 mil grados, lo que provoca una intensa emisión termoiónica desde su superficie. El bombardeo del ánodo con electrones provoca su destrucción parcial: se forma en él una depresión, un cráter con una temperatura de unos 4000 °C. Un aumento de presión conlleva un aumento aún mayor de temperaturas.
Cuando se separan los electrodos, la descarga del arco se mantiene estable hasta cierta distancia, lo que permite combatirlo en aquellas zonas de los equipos eléctricos donde resulta nocivo por la corrosión y quemado de contactos que provoca. Se trata de dispositivos como disyuntores y disyuntores de alto voltaje, contactores y otros. Uno de los métodos para combatir los arcos que se producen cuando se abren los contactos es el uso de cámaras de supresión de arco basadas en el principio de alargamiento del arco. También se utilizan muchos otros métodos: evitar contactos, utilizar materiales con alto potencial de ionización, etc.
El desarrollo de una descarga de corona se produce a presión atmosférica normal en forma brusca. campos no homogéneos Para electrodos con gran curvatura superficial. Podrían ser agujas, mástiles, cables, varios elementos equipo eléctrico que tiene Forma compleja, e incluso cabello humano. Un electrodo de este tipo se denomina electrodo de corona. Los procesos de ionización y, en consecuencia, la incandescencia del gas tienen lugar sólo cerca de él.
Se puede formar una corona tanto en el cátodo (corona negativa) cuando se bombardea con iones, como en el ánodo (corona positiva) como resultado de la fotoionización. La corona negativa, en la que el proceso de ionización debido a la emisión térmica se aleja del electrodo, se caracteriza por un brillo uniforme. En la corona positiva se pueden observar serpentinas: líneas luminosas de configuración discontinua que pueden convertirse en canales de chispas.
Un ejemplo de descarga de corona en condiciones naturales ocurren en las puntas de mástiles altos, copas de árboles, etc. Se forman cuando hay un campo eléctrico de alta intensidad en la atmósfera, a menudo antes de una tormenta o durante una ventisca. Además, quedaron grabados en el revestimiento de un avión atrapado en una nube. ceniza volcánica.
La descarga de corona en los cables de las líneas eléctricas provoca importantes pérdidas de electricidad. A altos voltajes, una descarga en corona puede convertirse en una descarga de arco. estan peleando con el diferentes caminos, por ejemplo, aumentando el radio de curvatura de los conductores.
Corriente eléctrica en gases y plasma.
Un gas total o parcialmente ionizado se llama plasma y se considera el cuarto estado de agregación sustancias. En general, el plasma es eléctricamente neutro, ya que la carga total de las partículas que lo constituyen es cero. Esto lo distingue de otros sistemas de partículas cargadas, como los haces de electrones.
En condiciones naturales, el plasma se forma, por regla general, a altas temperaturas debido a la colisión de átomos de gas a altas velocidades. La inmensa mayoría de la materia bariónica del Universo se encuentra en estado de plasma. Se trata de estrellas, parte de la materia interestelar, gas intergaláctico. La ionosfera terrestre también es un plasma enrarecido y débilmente ionizado.
El grado de ionización es una característica importante del plasma; de ello dependen sus propiedades conductoras. El grado de ionización se define como la relación entre el número de átomos ionizados y numero totalátomos por unidad de volumen. Cuanto más ionizado esté el plasma, mayor será su conductividad eléctrica. Además, se caracteriza por una alta movilidad.
Vemos, por tanto, que los gases que conducen la corriente eléctrica dentro del canal de descarga no son más que plasma. Así, las descargas luminosas y en corona son ejemplos de plasma frío; un canal de chispa de rayo o un arco eléctrico son ejemplos de plasma caliente, casi completamente ionizado.
Corriente eléctrica en metales, líquidos y gases: diferencias y similitudes.
Consideremos las características que caracterizan una descarga de gas en comparación con las propiedades de la corriente en otros medios.
En los metales, la corriente es el movimiento dirigido de electrones libres, que no implica cambios químicos. Los conductores de este tipo se denominan conductores del primer tipo; Estos incluyen, además de metales y aleaciones, carbón, algunas sales y óxidos. Se distinguen por la conductividad electrónica.
Los conductores del segundo tipo son electrolitos, es decir, soluciones acuosas líquidas de álcalis, ácidos y sales. El paso de la corriente está asociado con cambio químico electrolito - electrólisis. Los iones de una sustancia disueltos en agua, bajo la influencia de una diferencia de potencial, pasan a lados opuestos: cationes positivos - al cátodo, aniones negativos - al ánodo. El proceso va acompañado de la liberación de gas o la deposición de una capa metálica sobre el cátodo. Los conductores del segundo tipo se caracterizan por su conductividad iónica.
En cuanto a la conductividad de los gases, es, en primer lugar, temporal y, en segundo lugar, tiene signos de similitud y diferencia con cada uno de ellos. Por tanto, la corriente eléctrica tanto en electrolitos como en gases es una deriva de partículas con cargas opuestas dirigidas hacia electrodos opuestos. Sin embargo, mientras que los electrolitos se caracterizan por una conductividad puramente iónica, en una descarga de gas, con una combinación de tipos de conductividad electrónica e iónica, el papel principal pertenece a los electrones. Otra diferencia entre la corriente eléctrica en líquidos y gases es la naturaleza de la ionización. En un electrolito, las moléculas de un compuesto disuelto se disocian en agua, pero en un gas, las moléculas no colapsan, solo pierden electrones. Por tanto, una descarga de gas, como una corriente en los metales, no está asociada a cambios químicos.
La corriente en líquidos y gases también es diferente. La conductividad de los electrolitos generalmente obedece a la ley de Ohm, pero durante una descarga de gas no se observa. La característica corriente-voltaje de los gases tiene mucho más naturaleza compleja, asociado a las propiedades del plasma.
Cabe mencionar el carácter general y características distintivas Corriente eléctrica en gases y en el vacío. El vacío es un dieléctrico casi perfecto. “Casi”, porque en el vacío, a pesar de la ausencia (más precisamente, una concentración extremadamente baja) de portadores de carga libres, también es posible una corriente. Pero los portadores potenciales ya están presentes en el gas; sólo hay que ionizarlos. Los portadores de carga se introducen en el vacío desde la sustancia. Esto suele ocurrir durante el proceso de emisión de electrones, por ejemplo al calentar el cátodo (emisión termoiónica). Pero en varios tipos de descargas de gas, la emisión, como hemos visto, juega un papel. papel importante.
Aplicación de descargas de gas en tecnología.
ACERCA DE efectos dañinos ciertas categorías ya se han discutido brevemente anteriormente. Ahora prestemos atención a los beneficios que aportan en la industria y en la vida cotidiana.
La descarga incandescente se utiliza en la ingeniería eléctrica (estabilizadores de tensión) y en la tecnología de recubrimientos (método de pulverización catódica, basado en el fenómeno de la corrosión catódica). En electrónica se utiliza para producir haces de iones y electrones. Los campos de aplicación ampliamente conocidos de la descarga luminosa son las lámparas fluorescentes y las denominadas lámparas de bajo consumo, así como los tubos decorativos de descarga de gas neón y argón. Además, la descarga luminosa se utiliza en espectroscopia.
La descarga de chispa se utiliza en fusibles y en métodos de descarga eléctrica para el procesamiento de metales de precisión (corte por chispa, perforación, etc.). Pero es más conocido por su uso en bujías de motores. Combustión interna y en electrodomésticos (estufas de gas).
La descarga de arco, que se utilizó por primera vez en la tecnología de iluminación en 1876 (vela Yablochkov - "luz rusa"), todavía sirve como fuente de luz, por ejemplo, en dispositivos de proyección y potentes reflectores. En ingeniería eléctrica, el arco se utiliza en rectificadores de mercurio. Además, se utiliza en soldadura eléctrica, corte de metales y hornos eléctricos industriales para fundición de acero y aleaciones.
La descarga corona se utiliza en precipitadores eléctricos para la purificación iónica de gases, en metros. partículas elementales, en pararrayos, en sistemas de aire acondicionado. La descarga corona también funciona en fotocopiadoras e impresoras láser, donde carga y descarga un tambor fotosensible y transfiere el polvo del tambor al papel.
Por tanto, las descargas de gas de todo tipo encuentran la aplicación más amplia. La corriente eléctrica en gases se utiliza con éxito y eficacia en muchos campos de la tecnología.
