זרם חשמלי בנוזלים ובגזים

זרם חשמלי בנוזלים

במוליך מתכת חַשְׁמַל נוצר על ידי תנועה מכוונת של אלקטרונים חופשיים ושלא מתרחשים שינויים בחומר ממנו עשוי המוליך.

מוליכים כאלה, שמעבר זרם חשמלי אינו מלווה בשינויים כימיים בחומר שלהם, נקראים מוליכים מהשורה הראשונה... הם כוללים את כל המתכות, הפחם ועוד מספר חומרים.

אבל בטבע יש גם מוליכים כאלה של זרם חשמלי שבהם מתרחשות תופעות כימיות במהלך מעבר הזרם. מוליכים אלו נקראים מוליכים מהסוג השני... הם כוללים בעיקר תמיסות שונות במים של חומצות, מלחים ובסיסים.

אם שופכים מים לכלי זכוכית ומוסיפים לו כמה טיפות של חומצה גופרתית (או חומצה או אלקלית אחרת), ואז לוקחים שני לוחות מתכת ומחברים אליהם חוטים, מורידים את הלוחות האלה לתוך הכלי, ומחברים זרם מקור לקצוות האחרים של החוטים דרך המתג ומד הזרם, ואז הגז ישוחרר מהתמיסה והוא ימשיך ברציפות כל עוד המעגל סגור.מים מחומצים הם אכן מוליך. בנוסף, הצלחות יתחילו להתכסות בבועות גז. ואז הבועות הללו יתנתקו מהצלחות ויצאו.

כאשר מועבר זרם חשמלי דרך התמיסה, מתרחשים שינויים כימיים, וכתוצאה מכך שחרור גז.

הם נקראים מוליכים מהסוג השני של אלקטרוליטים, והתופעה המתרחשת באלקטרוליט כאשר זרם חשמלי עובר דרכו היא אלקטרוליזה.

לוחות מתכת טבולים באלקטרוליט נקראים אלקטרודות; אחד מהם המחובר לקוטב החיובי של מקור הזרם נקרא האנודה והשני המחובר לקוטב השלילי הוא הקתודה.

מה קובע את מעבר זרם חשמלי במוליך נוזל? מסתבר שבתמיסות כאלה (אלקטרוליטים) מולקולות חומצה (אלקליים, מלח) בפעולת ממס (במקרה זה מים) מתפרקות לשני מרכיבים ולחלק אחד של המולקולה יש מטען חשמלי חיובי, והשני הוא אחד שלילי.

חלקיקים של מולקולה בעלי מטען חשמלי נקראים יונים... כאשר חומצה, מלח או אלקלי מומסים במים, מתרחשים בתמיסה מספר רב של יונים חיוביים ושליליים כאחד.

כעת צריך להיות ברור מדוע עבר זרם חשמלי בתמיסה, כי בין האלקטרודות המחוברות למקור הזרם, א הבדל פוטנציאליבמילים אחרות, אחד מהם התברר כמטען חיובי והשני טעון שלילי. בהשפעת הפרש פוטנציאל זה החלו יונים חיוביים להתערבב לעבר האלקטרודה השלילית - הקתודה, ויונים שליליים - לכיוון האנודה.

כך, התנועה הכאוטית של יונים הפכה לתנועה הפוכה מסודרת של יונים שליליים בכיוון אחד ויונים חיוביות בכיוון השני.תהליך העברת מטען זה הוא זרימה של זרם חשמלי דרך האלקטרוליט ומתרחש כל עוד יש הבדל פוטנציאל על פני האלקטרודות. כשהפרש הפוטנציאלים נעלם, הזרם דרך האלקטרוליט מפסיק, התנועה המסודרת של היונים משתבשת והתנועה הכאוטית מתחילה שוב.

כדוגמה, קחו בחשבון את תופעת האלקטרוליזה, כאשר זרם חשמלי עובר דרך תמיסה של סולפט נחושת CuSO4 עם אלקטרודות נחושת מורדות לתוכה.

תופעת האלקטרוליזה כאשר הזרם עובר דרך תמיסה של סולפט נחושת: C - כלי עם אלקטרוליט, B - מקור זרם, C - מתג

תהיה גם תנועה הפוכה של יונים לאלקטרודות. היון החיובי יהיה יון הנחושת (Cu) והיון השלילי יהיה שייר החומצה (SO4). יוני נחושת, במגע עם הקתודה, ישתחררו (מצמידים לעצמם את האלקטרונים החסרים), כלומר, הם יומרו למולקולות ניטרליות של נחושת טהורה ויושקעו על הקתודה בצורה הדקה ביותר (מולקולרית) ) שכבה.

יונים שליליים המגיעים לאנודה נפלטים גם הם (תורמים אלקטרונים עודפים). אך במקביל, הם נכנסים לתגובה כימית עם הנחושת של האנודה, וכתוצאה מכך מתווספת מולקולת נחושת Cti לשארית החומצה SO4, ונוצרת מולקולה של נחושת גופרתית CnasO4 ומוחזרת חזרה אל אלקטרוליט.

מכיוון שתהליך כימי זה אורך זמן רב, נחושת מושקעת על הקתודה, אשר משתחררת מהאלקטרוליט. במקרה זה, האלקטרוליט, במקום מולקולות הנחושת שהלכו לקתודה, מקבל מולקולות נחושת חדשות עקב פירוק האלקטרודה השנייה, האנודה.

אותו תהליך מתרחש אם לוקחים אלקטרודות אבץ במקום נחושת, והאלקטרוליט הוא תמיסה של אבץ סולפט ZnSO4.אבץ יועבר גם מהאנודה לקתודה.

לכן, ההבדל בין זרם חשמלי במתכות לבין מוליכים נוזליים טמון בעובדה שבמתכות נושאי המטען הם רק אלקטרונים חופשיים, כלומר. מטענים שליליים כשהם נמצאים באלקטרוליטים חַשְׁמַל נישא על ידי חלקיקי חומר בעלי מטען הפוך - יונים הנעים בכיוונים מנוגדים. לכן אומרים שלאלקטרוליטים יש מוליכות יונית.

תופעת האלקטרוליזה התגלתה בשנת 1837 על ידי B.S. Jacobi, שערך ניסויים רבים כדי לחקור ולשפר מקורות כימיים של זרם. יעקבי מצא שאחת האלקטרודות שהוכנסו לתמיסת נחושת גופרתית, כאשר זרם חשמלי עבר דרכה, הייתה מצופה בנחושת.

תופעה זו נקראת אלקטרופורמינג, כעת היא מוצאת יישום מעשי גדול במיוחד. דוגמה אחת לכך היא ציפוי חפצי מתכת בשכבה דקה של מתכות אחרות, למשל ציפוי ניקל, ציפוי זהב, כסף וכו'.

זרם חשמלי בגזים

גזים (כולל אוויר) אינם מוליכים חשמל בתנאים רגילים. למשל, מטרה חוטים לקווים עילייםבהיותם תלויים במקביל זה לזה, הם מבודדים זה מזה על ידי שכבת אוויר.

עם זאת, בהשפעת טמפרטורה גבוהה, הבדל פוטנציאל גדול וסיבות אחרות, גזים, כמו מוליכים נוזליים, מייננים, כלומר, חלקיקים של מולקולות גז מופיעים בהם במספרים גדולים, אשר, בתור נושאי חשמל, תורמים למעבר. של זרם חשמלי דרך הגז.

אך יחד עם זאת, היינון של גז שונה מיינון של מוליך נוזלי.אם המולקולה מתפצלת לשני חלקים טעונים בנוזל, אז בגזים בפעולת יינון מופרדים תמיד אלקטרונים מכל מולקולה והיון נשאר בצורה של חלק טעון חיובי של המולקולה.

צריך רק לעצור את היינון של הגז, שכן הוא מפסיק להיות מוליך, בעוד הנוזל נשאר תמיד מוליך של זרם חשמלי. לכן, מוליכות הגז היא תופעה זמנית, תלויה בפעולה של סיבות חיצוניות.

עם זאת, יש משהו אחר סוג של פריקה חשמליתנקראת פריקת קשת או פשוט קשת חשמלית. תופעת הקשת החשמלית התגלתה בתחילת המאה ה-19 על ידי מהנדס החשמל הרוסי הראשון V. V. Petrov.

V.V. בביצוע ניסויים רבים, גילה פטרוב שבין שני גחלים המחוברים למקור זרם, הופיעה פריקה חשמלית מתמשכת באוויר, מלווה באור בהיר. בכתביו, V.V. Petrov כתב שבמקרה זה "השקט האפל יכול להיות מואר מספיק בבהירות". כך, בפעם הראשונה, התקבל אור חשמלי, שיושם באופן מעשי על ידי מהנדס חשמל רוסי אחר, פאבל ניקולאייביץ' יבלוצ'קוב.

"שבשט יבלוצ'קוב", שעבודתו מבוססת על שימוש בקשת חשמלית, עשתה אז מהפכה של ממש בהנדסת החשמל.

פריקת קשת משמשת היום כמקור אור, למשל בזרקורים ומכשירי הקרנה. הטמפרטורה הגבוהה של פריקת הקשת מאפשרת להשתמש בו התקני תנורי קשת… כיום, תנורי קשת המונעים על ידי זרם גבוה מאוד משמשים במספר תעשיות: להתכת פלדה, ברזל יצוק, סגסוגות ברונזה, ברונזה וכו'. ובשנת 1882, NN Benardos השתמש לראשונה בפריקת הקשת לחיתוך וריתוך מתכת.

בצינורות גז, מנורות פלורסנט, מייצבי מתח, כדי להשיג קרני אלקטרונים ויונים, מה שנקרא פריקת גז זוהר.

פריקת ניצוץ משמש למדידת הפרשי פוטנציאל גדולים באמצעות מרווח ניצוץ כדורי, שהאלקטרודות שלו הן שני כדורי מתכת עם משטח מלוטש. הכדורים מוזזים זה מזה ומוחל עליהם הפרש פוטנציאל מדיד. לאחר מכן מקרבים את הכדורים זה לזה עד שעובר ביניהם ניצוץ. לדעת את קוטר הכדורים, המרחק ביניהם, הלחץ, הטמפרטורה והלחות של האוויר, הם מוצאים את ההבדל הפוטנציאלי בין הכדורים לפי טבלאות מיוחדות. בשיטה זו ניתן למדוד בדיוק של כמה אחוזים הפרש פוטנציאל בסדר גודל של עשרות אלפי וולט.