ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 05.12.2025
Просмотров: 1453
Скачиваний: 0
ки) меди. С помощью электролиза делают антикоррозионные и декоративные покрытия различных изделий, используя растворы солей различных металлов, например, никеля или серебра.
Теоретическое описание электролиза, по существу, опирается только на определение силы тока (14.1)′. Найдем массу m первичного продукта (меди), выделяющегося на электродах (угольном катоде). Пусть на катод за время t по-
пало N ионов меди. Тогда заряд, прошедший в цепи, q = qiN = qiνNA = qi(m/μ)NA, где qi – заряд иона (для меди qi = 2|e|); m, μ – масса и молярная масса вещества.
Учитывая, что из (14.1)′ q = It, получим
m = |
μ |
It . |
(14.11) |
|
|||
|
qi N A |
|
|
Это закон Фарадея для электролиза: масса вещества, выделяющегося на электроде, пропорциональна количеству электричества (заряду q = It), прошедшему через раствор.
С его помощью можно рассчитать также время гальванизации в технологических процессах нанесения различных покрытий: декоративных или антикоррозионных.
Электрический ток в газах.
Газы в нормальном состоянии состоят из электрически нейтральных атомов и молекул и поэтому не проводят электричество, то есть являются диэлектриками. Проводниками могут быть только ионизированные газы, в которых кроме нейтральных молекул и атомов содержатся электроны, а также положительные и отрицательные ионы. Ионы в газах появляются под действием разных факторов, например, высоких температур, сильных электрических полей, ультрафиолетовых и рентгеновских лучей, в результате столкновений с атомами газа электронов, протонов, нейтронов и других быстрых элементарных частиц. Во всех этих случаях происходит вырывание из электронной оболочки атома или молекулы одного или нескольких электронов. Этот процесс называ-
ется ионизацией.
Процесс ионизации сопровождается обратным процессом – рекомбинацией, когда ионы восстанавливаются до нейтральных атомов и молекул. В результате устанавливается динамическое равновесие, когда концентрация носителей тока не меняется (для этого ионизирующий фактор должен быть постоянным). Поэтому через некоторое время после прекращения действия ионизирующего фактора происходит полная рекомбинация носителей заряда, и газ снова перестает проводить ток.
Процесс прохождения электрического тока в ионизированном газе назы-
вают газовым разрядом.
В природе самым сильным газовым разрядом является молния, см. приложение 2 к главе III. В технических средствах тоже случаются «молнии», которые называют электрическим пробоем газа. Он возникает в очень сильном электрическом поле, когда образование новых ионов происходит в результате внутренних процессов в самом газе, например, пробой воздуха при атмосферном давлении происходит при напряженности поля не ниже 30 кВ/см.
95
электроды |
|
|
|
стартер |
Разряд в газах широко используется в |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
осветительных приборах – газоразрядных |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
лампах, к которым относятся и хорошо из- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
вестные лампы дневного света. Рассмотрим |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
принцип работы такой газоразрядной ртут- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ной лампы. Лампа имеет вид с баллона (час- |
|
|
|
|
~ |
|
|
|
|
|
то в форме трубки) из определенного сорта |
стеклянная |
|
|
|
|
|
|
||||
220 В |
|
|
|
стекла. Внутри трубки находится аргон или |
||||||
дроссель |
||||||||||
трубка |
Рис. 14.14 |
|
|
|
|
неон при низком давлении (около 1,3 Па) и |
||||
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
дозированная капелька ртути, создающая на- |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
сыщенные пары ртути. На концах трубки расположены электроды в виде проволочных спиралей. Трубка включается в электрическую цепь, схема которой изображена на рис. 14.14. Если замкнуть цепь через стартер, то через спирали пойдет ток. Спирали сильно накаляются и начинают испускать электроны1. Электроны, сталкиваясь с молекулами газа (в данном случае парами ртути), вызывают их ионизацию, и в газе возникает электрический разряд, то есть начинает течь ток из электронов и ионов. Стартер размыкается, а высокая температура электродов теперь поддерживается током в лампе2. При прохождении разряда через ионизированный газ, он начинает светиться. Пары ртути светятся преимущественно в ультрафиолетовой области спектра: атомы ртути возбуждаются при столкновениях с электронами и ионами и затем, переходя в невозбужденное состояние, излучают фотоны ультрафиолетовой части спектра. Стенки газоразрядной трубки изнутри покрыты специальным составом – люминофором. Под действием свечения газа люминофор сам начинает светиться, только в более длинноволновой части спектра. Этот белый «дневной» свет мы и видим.
Если лампа предназначена для ультрафиолетового облучения, то баллон выполняется из сортов стекла, прозрачных для ультрафиолета. Такие лампы применяются для стерилизации помещений и инструмента, а также для люминесцентного анализа.
Вопросы к лекции 14
1.Дайте определение электрического тока.
2.Сформулируйте закон Ома для участка цепи без источника тока.
3.Имеется два алюминиевых провода: длина и диаметр первого в 2 раза больше, чем второго. У какого провода больше сопротивление и во сколько раз?
4.Сформулируйте закон Джоуля – Ленца. Напишите формулы мощности постоянного тока и скажите, почему для пропускания больших токов используют толстые провода.
5.Имеется два нагревателя с разными сопротивлениями спирали. У какого из них больше мощность?
6.Что такое ЭДС, как она возникает, и какую имеет размерность?
1Явление испускания электронов раскаленными металлами называется термоэлектронной эмиссией.
2На схеме рис. 14.14 изображена катушка индуктивности – дроссель, который создает значительное сопротивление переменному току, что ограничивает неуправляемое возрастание тока в цепи на уровне режима нормального тлеющего разряда.
96
7.Сформулируйте закон Ома для участка цепи с источником тока, а также закон Ома для замкнутой цепи.
8.Сформулируйте правила Кирхгофа и приведите пример их практического применения.
9.Чем обусловлена хорошая проводимость металлов? Как зависит удельное сопротивление металлов от температуры?
10.Объясните механизм проводимости в полупроводниках. Как зависит удельное сопротивление полупроводников от температуры?
11.Что такое полупроводники n- и p-типов? Приведите примеры применения полупроводниковых приборов.
12.Какиерастворыназываютэлектролитами, акакиенеэлектролитами? Приведитепримеры.
13.Объясните механизм проводимости в электролитах. Как зависит удельное сопротивление электролитов от температуры?
14.Почему вода является хорошим растворителем? Приведите пример.
15.Приведите пример электролиза и выведите закон Фарадея для этого процесса. Где используется этот закон?
16.Как возникает электрический ток в газах?
17.Опишите принцип работы лампы дневного света.
18.Почему газовые разряды сопровождаются свечением?
97
Лекция 15. Магнитостатика
Магнитостатика изучает постоянные (не зависящие от времени) магнитные поля, созданные постоянными токами. Магнитное поле создается только движущимися зарядами и действует только на движущиеся заряды.
Как и электрическое, магнитное поле тоже изображается в виде силовых линий. Примеры магнитных полей различных объектов показаны на рис. 15.1: а) прямой провод; б) круговой виток; в) постоянный магнит; г) Земля1.
|
Br |
r |
|
r |
Ю.магн. |
I |
|
B |
|
B |
|
|
|
|
|
|
|
Br |
|
Ю |
С |
|
Земля |
I |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
С.магн. |
а) |
б) |
|
в) |
|
г) |
Рис. 15.1
Силовойr характеристикой магнитного поля является вектор магнитной
индукции B . Он направлен по касательной к силовой линии в какой-либо точке. Магнитнаяr стрелка ориентируется в магнитном поле по направлению векто-
ра B и показывает направление магнитного поля в пространстве.
В отличие от гравитационного и электрического полей магнитное поле
непотенциальное.
15.1. Движение зарядов в магнитном поле
В отличие от электрического поля, которое действует как на неподвижные, так и на движущиеся заряды, магнитное поле действует только на движущиеся заряды.
Еще раз подчеркнем, что силовой характеристикой магнитного поля яв-
ляется вектор магнитной индукции B : чем больше магнитное поле, тем сильнее оно действует на движущийся заряд.
r Z |
|
|
|
|
|
Так, на точечный заряд q, движущийся в магнитном |
|
B |
|
|
|
|
|
поле со скоростью υ действует сила (сила Лоренца) |
|
|
|
|
|
|
r |
(15.1) |
|
r |
|
|
|
|
|
F = q[υ B]. |
|
F |
|
|
|
|
q |
Эта сила меняет скорость только по направлению и не |
|
|
r |
меняет по величине, то есть вызывает только центростреми- |
|||||
|
υ |
тельное ускорение. Траектория движения частицы в общем |
|||||
|
Y |
||||||
X |
случае – винтовая линия, а в случае, когда скорость перпен- |
||||||
Рис. 15.2 |
дикулярна направлению вектора индукции магнитного поля |
|
1 Южный магнитный полюс Земли находится вблизи северного географического, а северный магнитный – вблизи южного географического.
98
(перпендикулярна силовым линиям магнитного поля) – окружность. Выражение для величины силы в последнем случае имеет простой вид:
F = qυB, |
(15.1)′ |
причем эта сила направлена к центру окружности и вызывает центростремительное ускорение, как показано на рис. 15.2. В случае, когда скорость парал-
лельна силовым линиям, |
|
F = 0, |
магнитное поле на заряд не действует, и траек- |
|||||||
тория заряда – прямая. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Если движется не один заряд, а много, то есть течет постоянный ток I, то |
||||||||||
сила, действующая на протекающий заряд dq равна |
|
|
||||||||
r |
r |
r |
|
dl |
r |
dq |
r |
r |
r |
r |
|
|
|
B = |
[dl |
B]= I[dl |
B], |
||||
dF = dq[υ B]= dq |
|
dt |
||||||||
|
|
|
dt |
|
|
|
|
|
||
где dl – бесконечно малый участок проводника, по которому прошел бесконечно малый заряд dq.
Таким образом, сила, действующая на бесконечно маленький отрезок dl
проводника с током I, помещенного в магнитное поле B , |
|
|
|
||
dF = I[dl B], |
|
|
(15.2) |
||
где векторная величина Idlrназывается элементом тока, рис. 15.3. |
|
|
|||
В скалярной форме это выражение имеет вид |
|
B |
|
|
|
dF = (IBsinα)dl, |
|
|
|
||
|
|
I |
|||
где α – угол между направлением магнитного поля и током. |
α |
||||
Если провод прямой, а магнитное поле одинаковое вдоль |
|
|
|
||
dFr |
dl |
||||
всего провода, то сила, действующая на участок провода дли- |
|||||
ны l, |
|
Рис. 15.3 |
|||
F = I[l B], |
(15.2)′ |
||||
|
|
|
|||
или в скалярной форме
F = IlBsinα.
Это хорошо известный из школьного курса закон Ампера. Так как электроны ограничены проводом, они не могут двигаться по окружности, – не позволяет жесткость провода: сила Лоренца, действующая на электроны, слишком мала, чтобы свернуть провод в кольцо. Силы Лоренца и Ампера имеют одну природу (магнитные силы) и действуют на движущиеся в магнитном поле заряды. Единица измерения магнитной индукции – тесла (Тл). Из последней формулы видно, что [B] = Тл = Н/(А·м) = кг/(А·с2).
Заряженные частицы космического излучения (e, p, α,…), летящие к Земле, попадая в магнитное поле нашей планеты, движутся по винтовым траекториям вдоль силовых линий (рис. 15.1, г) к полюсам. В приполярных областях они приближаются к поверхности (где выше концентрация молекул воздуха) и возбуждают атомы азота, кислорода и других компонентов воздуха, сталкиваясь с ними. При переходе в невозбужденное состояние атомы излучают кванты света – фотоны, которые мы видим как полярное сияние.
Вообще, магнитное поле Земли совместно с атмосферой хорошо защищает живые организмы от потоков быстрых заряженных частиц, идущих от Солнца или от центра нашей галактики.
99