Провідність різних середовищ

Вакуум

У вакуумі відсутні електричні заряди, тож його провідність нескінченно мала. Проте, якщо інжектувати електрони у вакуум, то він стає гарним провідником. Це явище використовується у вакуумних лампах. Електрони в них інжектуються у вакуум з нагрітого катода завдяки явищу термоелектронної емісії. Провідність вакууму обмежена утворенням області просторового заряду - негативно зарядженої електронної хмари між катодом та анодом, яка чинить перепони вильоту електронів з катода.

Гази

Як і у вакуумі, у газах звичайно немає вільних носіїв заряду. Їх можна інжектувати з катода. Проте при своєму русі до анода інжектовані в газ електрони зазнають зіткнень із атомами газу й розсіюються. З одного боку це зменшує провідність, але з іншого боку, електрони, розігнані електричним полем до високих швидкостей, можуть іонізувати атоми газу, вибиваючи з них електрони й створюючи позитивні йони. Нові електрони та йони рухаються до аноду чи катоду, відповідно, збільшуючи електричний струм. В залежності від прикладеної напруги та хімічного складу газу ці явища призводять до виникнення низки різноманітних типів газових розрядів, розшарування проміжку між анодом і катодом на зони з різними властивостями тощо.

Електроліти

Більшість рідин не мають вільних носіїв заряду і є діелектриками. Виняток становлять електроліти, наприклад вода чи розчини солей у воді. В електролітах частина нейтральних молекул дисоціює, утворюючи негативно й позитивно заряджені йони. Електропровідність електролітів зумовлена рухом цих йонів до аноду й катоду, відповідно. На аноді й катоді йони відновлюються чи окислюються, вступають в хімічні реакції. Усе це призводить до виникнення різноманітних гальванічних ефектів.

Метали

У металах є вільні носії зарядів - електрони. Зонна структура металів характеризується наполовину заповненою валентною зоною. Проте лише електрони із енергіями близькими до рівня хімічного потенціалу можуть прискорюватися електричним полем. На заваді прискорення електронів з меншою енергією стає принцип виключення Паулі. Таким чином, в провідність вносять вклад лише електрони із енергіями, що лежать у проміжку ( k< - стала Больцмана, Т - температура ) від рівня Фермі. Провідність металів обмежена актами розсіяння прискорених електронів у результаті зіткнення з іншими електронами, розсіяння на коливаннях кристалічної ґратки, домішках тощо. Провідність металів зменшується із збільшенням температури завдяки тому, що при вищих температурах посилюються коливання атомів кристалічної ґратки й акти розсіяння частішають.

Напівпровідники

Власні напівпровідники зазвичай мають невелику концентрацію вільних носіїв заряду, електронів та дірок, яка залежить від ширини забороненої зони та температури. При збільшенні температури концентрація вільних електронів та дірок дуже швидко зростає. Ефект цього зростання набагато перевищує ефект від збільшення частоти актів розсіяння, тож провідність власних напівпровідників різко збільшується при високих температурах.

Іншим фактором, який збільшує провідність власних напівпровідників, є створення підвищеної концентрації вільних носіїв заряду світловим опроміненням або інжекцією. При поглинанні кванта світла із енергією більшою за ширину забороненої зони в напівпровіднику утворюється пара носіїв заряду - електрон переходить із валентної зони у зону провідності, залишаючи за собою дірку. Якщо до освітленого напівпровідника прикласти напругу, то в напівпровіднику потече доволі значний струм. Така провідність називається фотопровідністю і широко використовується у різноманітних фотоелементах. Аналогічну провідність можна створити при опроміненні швидкими частками, що служить основою роботи напівпровідникових детекторів радіації.

На інжекція зарядів у напівпровідник через контакт ґрунтується робота різноманітних напівпровідникових приладів, наприклад, біполярних транзисторів. Прикладене до контакту електричне поле допомагає частині носіїв заряду подолати потенціальний бар'єр, що відділяє напівпровідник від контакту. Далі провідність відбувається за принципами близькими до принципів роботи вакуумних ламп: створюється область просторового заряду, яка обмежує струм, а отже провідність.

У легованих напівпровідниках навіть при кімнатних температурах концентрація електронів у зоні провідності (напівпровідники n-типу) чи дірок у валентній зоні (напівпровідники p-типу) висока, оскільки для переходу між зоною й домішковим рівнем електрону потрібно набрати набагато меншу енергію (глибина домішкових рівнів зазвичай не перевищує 0.5 еВ). Тому провідність легованих напівпровідників доволі висока й наближається до провідності металів. Вона теж росте із температурою, оскільки для неї фактор збільшення концентрації носіїв у зоні важливіший за збільшення частоти актів розсіяння.

Контакти між областями n-типу й p-типу, які називають p-n переходами мають особливу односторонню провідність. На цьому факті базується робота різноманітних напівпровідникових пристроїв - діодів, транзисторів, фотодіодів, напівпровідникових сонячних елементів, активного шару копіювальних машин, лазерних принтерів тощо.

Надпровідники

Надпровідники можуть нескінченно довго підтримувати електричний струм навіть, коли електричне поле, яке його викликало, виключити.

Формально провідність напівпровідників нескінченна. Надпровідний стан існує лише при низьких температурах, хоча теоретично верхня границя температури переходу із надпровідного в звичайний стан не встановлена.

Фізична природа нескінченної провідності надпровідників в тому, що в надпровідниках подавлені канали розсіяння енергії. Носіями заряду в надпровідниках є куперівські пари - зв'язані стани двох електронів із протилежними спінами й протилежними напрямками руху.

Куперівські пари утворюються завдяки непрямому притягуванню між електронами, зумовленому взаємодією із кристалічною ґраткою. Електрон, рухаючись в кристалі, деформує ґратку, створюючи «канал», який притягає інший електрон. Куперівські пари мають унікальні властивості. У них неможливо забрати енергію, бо електрони, які увійшли до їх складу, вже віддали енергію на утворення пари.

Розвалити пару можна лише надавши їй доволі значну порцію енергії, але при низьких температурах таку енергію взяти нізвідки - енергії теплового руху не вистачає. Таким чином, куперівські пари, утворившись, приречені вічно блукати кристалом, переносячи із собою два електричні заряди й створюючи електричний струм.

Куперівські пари розвалюються, коли температура стає вищою певної критичної температури, або ж у достатньо сильному зовнішньому магнітному полі (вищому за певне критичне значення).

 

класична теорія електропровідності металів

 

Носіями струму в металах є вільні електрони, тобто електрони слабко пов'язані з іонами кристалічної решітки металу. Наявність вільних електронів пояснюється тим, що при утворенні кристалічної решітки металу при зближенні ізольованих атомів валентні електрони, слабко пов'язані з атомними ядрами, відриваються від атома металу, стають "вільними", усуспільненими, що належать не окремому атому, а всій речовині, і можуть переміщатися по всьому об'єму. У класичній електронній теорії ці електрони розглядаються як електронний газ, що володіє властивостями одноатомного ідеального газу.

Електрони провідності у відсутності електричного поля усередині металу хаотично рухаються й зустрічаються з іонами кристалічної решітки металу. Тепловий рух електронів, будучи хаотичним, не може, привести до виникнення струму. Середня швидкість теплового руху електронів

                           при Т = 300 К.

2. Електричний струм у металі виникає під дією зовнішнього електричного поля, яке викликає впорядкований рух електронів. Виразимо силу й густина струму через швидкість v упорядкованого руху електронів у провіднику.

За час dt через поперечний переріз S провідника пройде N електронів

, ;

отже, навіть при дуже великих густинах струму середня швидкість упорядкованого руху електронів , що обумовлює електричний струм, значно менше їх швидкості теплового руху .

1. Електричний струм у колі встановлюється за час , де L-

довжина кола, с = 3·10⁸ м/с - швидкість світла в вакуумі. Електричний струм виникає у колі практично одночасно з його вмиканням.

 

2 Середня довжина вільного пробігу електронів λ за порядком величини повинна бути рівна періоду кристалічної решітки металу λ @ 10^-10 м.

 

3. З ростом температури збільшується амплітуда коливань іонів кристалічної решітки й електрон чаші зустрічається з коливними іонами, тому його довжина вільного пробігу зменшується, а опір металу росте.

Недоліки класичної теорії електропровідності металів:

1. (1)

так як ~ , n и λ ¹ f(T) ρ ~ ,тобто із класичної теорії електропровідності випливає, що питомий опір пропорційний кореню квадратномуз температури, а з досвіду випливає, що він лінійно залежить від температури, ρ ~ Т

2. Дає неправильне значення молярної теплоємності металів. Згідно із законом Дюлонга й Пті С_μ = 3R, а по классической теории С = 9 / 2R=С_{μ іонної решітки} = 3R + С_{μдноатомногоелектронного газу} = 3/2R.

3. Середня довжина вільного пробігу електронів з формули (1) при підстановці експериментального значення ρ і теоретичного значення дає 10 ^-8, що на два порядки більше середньої довжини пробігу прийнятої в теорії (10^-10).

                 Термоелектричні явища

Термоелектричні явища, сукупність фізичних явищ, обумовлених взаємозв'язком між тепловими і електричними процесами в металах і напівпровідниках. Т. я. є ефекти Зєєбека, Пельтье і Томсона. Зєєбека ефект полягає в тому, що в замкнутому ланцюзі, що складається з різнорідних провідників, виникає едс(електрорушійна сила) (термоедс), якщо місця контактів підтримують при різних температурах. У простому випадку, коли електричний ланцюг складається з двох різних провідників, вона називається термоелементом , або термопарою . Величина термоедс залежить лише від температур гарячого T 1 і холодного T 2 контактів і від матеріалу провідників. У невеликому інтервалі температур термоедс Е можна вважати пропорційній різниці ( T 1 – T 2 ) , тобто Е = а ( T 1 – Т 2 ). Коефіцієнт а називається термоелектричною здатністю пари (термосилой, коефіцієнта термоедс, або питомою термоедс). Він визначається матеріалами провідників, але залежить також від інтервалу температур; в деяких випадках з зміною температури а міняє знак. У таблиці приведені значення а для деяких металів і сплавів по відношенню до Pb для інтервалу температур 0—100 °С (позитивний знак а приписаний тим металам, до яких тече струм через нагрітий спай). Проте цифри, приведені в таблиці, умовні, оскільки термоедс матеріалу чутлива до мікроскопічних кількостей домішок (інколи лежачим за межами чутливості хімічного аналізу), до орієнтації кристалічних зерен, термічній або навіть холодній обробці матеріалу. На цій властивості термоедс заснований метод відбракування матеріалів по складу. З цієї ж причини термоедс може виникнути в ланцюзі, що складається з одного і того ж матеріалу за наявності температурних перепадів, якщо різні ділянки ланцюга піддавалися різним технологічним операціям. З ін. сторони, едс(електрорушійна сила) термопари не міняється при послідовному включенні в ланцюг будь-якої кількості ін. матеріалів, якщо додаткові місця контактів, що з'являються при цьому, підтримують при одній і тій же температурі.

| Материал | α, мкв/°С | Материал | α, мкв/°С |

|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Сурьма…………… | +43 | Ртуть……….…... | -4,4 |

| Железо……..…… | +15 | Платина……….. | -4,4 |

| Молибден ………. | +7,6 | Натрий ………… | -6,5 |

| Кадмий ………….. | +4,6 | Палладий ……… | -8,9 |

| Вольфрам……..… | +3,6 | Калий…………… | -13,8 |

| Медь……………... | +3,2 | Никель…………. | -20,8 |

| Цинк……………… | +3,1 | Висмут…………. | -68,0 |

| Золото…………… | +2,9 | Хромель……….. | +24 |

| Серебро ………… | +2,7 | Нихром………… | +18 |

| Свинец…………… | 0,0 | Платинородий… | +2 |

| Олово…………….. | -0,2 | Алюмель……….. | -17,3 |

| Магний ………….. | -0,0 | Константан…….. | -38 |

| Алюминий………. | -0,4 | Копель………….. | -38           

                   Термоелектрорушійна сила

У 1821 році Зеебек виявив, що у замкненому колі з двох різнорідних провідників, контакти яких знаходяться при різних температурах (див.Мал.104), виникає електрорушійна сила, яку назвали термоелектрорушійною ¾ ТЕРС. Основними процесами, що створюють ТЕРС , є такі:

а). Дифузія електронів. В околиці контакту з більшою (меншою) температурою виникають електрони з енергіями більшими (меншими) ніж енергія Фермі. Це створює градієнт (нерівномірність у просторі) концентрації і потік гарячих електронів у напрямку холодного контакту (потік холодних електронів у напрямку гарячого контакту).

б). Зміна рівнів Фермі в залежності від температури. Внутрішня контактна різниця потенціалів, що визначається рівнями Фермі й температурою, різна у гарячого й холодного контактів і їх різниця дає відповідний вклад у ТЕРС.

       в). Утягування електронів потоком фононів. Теплові коливання вузлів кристалічної решітки створюють у кристалі стоячі хвилі з верхньою границею дискретного спектра частот n_мах. Енергія кожного коливання частоти n може мати енергію Е=(n+0.5)×hn, що дозволяє ввести поняття кванта акустичних коливань hn, якому відповідає деяка квазічастинка. Цю квазічастинку назвали фононом. За допомогою фононів описуються властивості теплових коливань кристалічної решітки. Коливання кристалічної решітки більш інтенсивні біля гарячого контакту, що створює потік фононів у напрямку холодного контакту. Останні, взаємодіючи з електронами, надають їм відповідного імпульсу направленого руху. Відбувається накопичення електронів біля холодного і збіднення їх біля гарячого контакту.Таким чином створюється стороннє силове поле не електричного походження. Воно направлено назустріч градієнту температури , тобто від гарячого до холодного контакту.          

       Такого ж роду процеси відбуваються у замкненому колі з n ¾ та р-напівпровідників. У першому випадку напруженість силового поля направлена, як і у випадку металів, по градієнту поля, а у другому випадку ¾ у протилежному напрямку. Розрахунки показують, що величина термоелектрорушійної сили  у замкненому колі визначається різницями потенціалів на контактах 1 та 2. Ця підстановка дає такі результати

,

Де                                                           

Величина  називається коефіцієнтом термоелектрорушійної сили, характерної для кожної з пар металів.

 

Термопара — чутливий елемент термоелектричного перетворювача у вигляді двох ізольованих провідників із різнорідних матеріалів, з'єднаних на одному кінці, принцип дії якого ґрунтується на використанні термоелектричного ефекту для вимірювання температури. Використовується у устаткуванні для вимірювання температури, а також для прямого перетворення енергії тепла в електричну енергію у тих випадках, коли доцільно уникнути рухомих деталей (наприклад, у космосі). Поглинання тепла при проходженні електричного струму через контакт використовується в холодильниках тощо.

Використання термопари є одним з способів контролю температури в печі. Термопара являє собою металічний провід з особливих сплавів, дві жили якого спаяні між собою, і спай розміщений в контрольовану зону печі.^[2] Вільні кінці проводу виведені за межі нагрівальної зони і з'єднані з прибором, показуючи перетворений сигнал поступаючий від спаю термопари. Термопара, яка знаходиться в печі, захована у вогнестійкий чохол, що захищає її від агресивного середовища печі.

 

   Принцип дії термопари базується на термоелектричних явищах. Термопара складається з двох провідників, сполучених кінцями так, що вони утворюють два контакти. Контакти поміщають в середовища з різною температурою. Технічні вимоги до термопар визначаються ДСТУ 2857-94^[3] та ДСТУ IEC 60584

Термопари застосовують також у нагрівачах та холодильниках, використовуючи ефект Пельтьє. При проходженні електричного струму через контакти термопари один із них нагрівається, а другий охолоджується.

 

Термоелементи безпосередньо перетворюють теплову енергію в електричну. На рис. 27 зображено дві зволікання 1 и2, виготовлені з різних металів і спаяні в точках 3 і 4. Якщо температура в місцях спаїв однакова, то струму в такому замкнутому контурі виникати не буде, Тому що в цих місцях створюються рівні і протилежні Е.Д. с. Але якщо один з спаїв нагріти так, щоб температура його стала вище температури другого спаю, то рівність Е.Д. с. порушиться і в ланцюзі з'явиться електричний струм.

Пара провідників з різних металів називається термопарою, а виникаюча в ній е.. д. с- термоелектродвіжущей силою.

 

 

Покладемо, що провідник 1 виготовлено з міді, а провідник 2 - з вісмуту. Якщо нагрівати один з спаїв, наприклад 4, то потенціал висмутовой дроту виявиться вище потенціалу мідної дроту і тому електричний струм буде протікати від вісмуту до більш холодного спаю 3, а потім по міді до теплішого спаю 4, наче б вісмут став позитивним, а мідь - негативним полюсом гальванічного елемента. Якщо спай 4 охолодити, залишивши інший спай 3 при колишньою температурі, то при цьому виникне електричний струм, але зворотного напрямку.Величина термо- е.д. с. і, отже, струму, що протікає в термопарі, залежить від обраних металів для провідників 1 і 2 та від різниці температур в місцях спаїв. Дослідним шляхом встановлено, що при малих різницях температур термо-е.д. с. пропорційна різниці температур місць спаїв. При великих різницях температур ця залежність порушується. Пропорційність між термо-е.д. с. і різницею температур дозволяє використовувати термопару для вимірювання температур (у відомих межах). Термо-е.д. с. виникає також у тому випадку, якщо два різних речовини тільки стикаються і місце зіткнення піддається нагріву.Е. д. с. термопар відносно мала. Виникнення термо-е. д. з. можливо і тоді, коли-небудь речовину піддається нерівномірного нагрівання

                                Термобатареї

На основі описаних плоских термомодулів збираються термобатареї, також мають особливості та принципові конструктивні відмінності. Основними вимогами при складанні Термобатареї є їх висока механічна міцність, забезпечення рівномірності температур або теплових потоків по гарячому і холодному спаям і, нарешті, мінімальні теплові та електричні втрати в тепловій та електричній схемах Термобатареї. Однією з найпоширеніших є панельна термобатарея, що складається з щільно розташованих окремо виготовлених гілок р-і я-типів, розділених ізоляційними прошарками і комутувати одночасної пайкою або дифузійним зрощенням. Від теплоносія така термобатарея також відокремлена електроізоляції. Недоліком її є велика внутрішня Напруженість, яка вимагає спеціальних зовнішніх конструктивних оформлень, що дозволяють зберегти її механічну і електричну цілісність. В інших конструкціях використовуються термобатареї з рознесених термоелементів. Так, в ТЕГ SNAP-10A термоелектричний перетворювач складається з 120 модулів (по 3 послідовно сполучених модуля на кожну з 40 трубок з теплоносієм), що включають 2880 термоелементів, виготовлених із сплавів Ge-Si і р-типів. Таким чином, кожен модуль має по 6 послідовно з'єднаних термоелементів і виробляє потужність 4-5 Вт Термоелемент являє собою циліндричні стовпчики р і ra-типів »розташовуються уздовж трубки з теплоносієм. Стовпчики електрично ізольовані від трубок тонкими дисками з окису алюмінію і алюмінієвими шинами, створюючими випромінювач на холодній стороні. Кожна алюмінієва пластина випромінювача ізольована від сусідніх зазором. Коефіцієнт випромінювання цих пластин ~ 0,9. Така схема забезпечує середню температуру гарячого спаю термоелемента -500 ° С, середню температуру холодного спаю 315 ° С і к. п. д. перетворення 1,43% - Послідовно-паралельне з'єднання термомодулів виключає можливість виходу з ладу всієї системи при руйнуванні одного елемента. Збільшення температури гарячого спаю до 705 ° С дозволило отримати потужність 1,2 вт з одного термоелемента.

Термобатарея SNAP-8 складається з окремих модулів. Він принципово мало відрізняється від модуля SNAP-10A, хоча в ньому гілки термоелемента р-і n-типів виготовлені зі сплаву Ge-Si у вигляді напівциліндрів і об'єднані в один термоелемент. Таке розташування призводить до менших електричним втратам, ніж у SNAP-1 OA. Технологія приготування цього термо-модулів також була значно вдосконалена, що призвело до зменшення числа шарів матеріалів в термо-столбиков до 10 в порівнянні з 16 в SNAP-1 OA.При нагріванні й охолодженні Термобатареї теплоносіями зручно використовувати герметичну термобатареї, в якій забезпечується захист від зовнішнього середовища. У такій батареї компенсація термічних напруг здійснюється Сильфони, а електроізоляція має мале термічне опір.

                           Контактна різниця потенціалів

 

Розглянемо процеси, що відбуваються при зближенні і контакті двох електронних провідників, наприклад, двох металів, енергетичні схеми яких показані на рис. 6.7, а. В ізольованому стані електронний газ в цих провідниках характеризується хімічними потенціалами (chemical potential) і і роботами виходу і . Приведемо провідники в контакт, зближуючи їх до такої відстані, при якій можливий ефективний обмін електронами. З рис. 6.7, а видно, що в зоні провідності провідника 2 зайняті всі стани аж до рівня Фермі, причому проти цих станів розташовуються зайняті рівні зони провідності провідника 1. Тому при абсолютному нулі електрони з провідника 2 не можуть переходити в провідник 1. При температурі, відмінній від 0 К, електрони провідника 2, термічно збуджені на рівні, розташовані вище , можуть переходити в провідник 1, але число таких електронів при звичайних температурах невелике, внаслідок чого їх потік буде слабким.

Інша картина складається для провідника 1. В ньому зона провідності також укомплектована аж до рівня Фермі , але внаслідок меншої роботи виходу ( < ) проти зайнятих станів цього провідника, розташованих вище рівня Фермі , розміщуються вільні рівні зони провідності провідника 2. Тому за наявності контакту (навіть при абсолютному нулі) електрони із зайнятих рівнів провідника 1 переходитимуть на вільні рівні провідника 2, утворюючи потік , на перших порах значно перевершуючий потік .

Тепер розглянемо, як відбувається встановлення рівноваги між провідниками.

Провідник 1, втрачаючи електрони, заряджається позитивно, провідник 2, придбавши надмірні електрони, заряджається негативно. Виникнення цих зарядів викликає зсув один відносно одного енергетичних рівнів провідників 1 і 2. В провіднику 1 зарядженому позитивно, всі рівні опускаються вниз, а в провіднику 2, зарядженому негативно, всі рівні підіймаються вгору відносно своїх положень в незарядженому стані цих провідників (рис. 6.7, б). Це легко зрозуміти з таких простих міркувань. Для переведення електрона, наприклад, з нульового рівня металу 1 на нульовий рівень металу 2, що знаходиться під негативним потенціалом

-V, відносно металу 1 необхідно виконати роботу, чисельно рівну qV. Ця робота переходить в потенціальну енергію електрона.

Рисунок 6.7 – Виникнення контактної різниці потенціалів між двома металами

 

Тому потенціальна енергія електрона, що знаходиться на нульовому рівні негативно зарядженого провідника, буде на W=qVбільша потенціальної енергії електрона, розташованого на нульовому рівні позитивно зарядженого провідника. А це і означає, що нульовий рівень провідника 2 розташовується на W=qV вище нульового рівня позитивно зарядженого провідника.

Подібний зсув зазнають всі енергетичні рівні провідників 1 і 2, у тому числі і рівні Фермі і .

Як тільки рівень Фермі провідника 1, що безперервно знижується ( ) і рівень Фермі провідника 2 ( ), що безперервно підвищується, виявляються на одній висоті, причина, що викликала переважне перетікання електронів з провідника 1 в провідник 2, зникає, оскільки проти заповнених рівнів провідника 1 розташовуються тепер заповнені з тим же ступенем заселеності рівні провідника 2. Між провідниками встановлюється рівновага, якій відповідає рівноважна різниця потенціалів між ними рівна

 

                                        V_k= (x₂-x₁) (6.4)

Її називають контактною різницею потенціалів (contact variance potential). Як видно з (6.3), вона визначається різницею робіт виходу електронів з контактуючих провідників. За абсолютним значенням коливається від десятих часток до одиниць вольт. З рис. 6.7, б витікає, що контактна різниця потенціалів створює для електронів, перехідних в провідник з більшою роботою виходу, потенціальний бар'єр висотою .

Одержаний результат справедливий для будь-яких способів обміну двох матеріалів електронами, у тому числі і шляхом термоелектронної емісії у вакуум, через зовнішнє коло і т.д.

Контактна різниця потенціалів може відігравати велику роль в роботі електровакуумних приладів, електроди яких (катод, анод, сітки і ін.) виготовляються, як правило, з різнорідних металів. Контактна різниця потенціалів, що виникає між такими електродами, складається із зовнішньою різницею потенціалів і робить безпосередній вплив на ВАХ приладів. Зміна контактної різниці потенціалів може привести до нестабільності роботи цих приладів. Контактні явища лежать також в основі роботи багатьох напівпровідникових і інших твердотільних приладів і пристроїв.

 

                               21 Електроліти

Електроліти (англ. electrolytes, нім. Elektrolyte m pl) –

1) Хімічні речовини або їх системи, в яких проходження електричного струму зумовлене переміщенням іонів і у випадку постійного струму супроводжується електролізом.

Розрізняють:

· тверді електроліти (AgCl, AgI, PbF₂, Ag₄RbI₅)

· рідкі (розчини солей, кислот

· розплавлені (NaOH, MgCl₂ та ін.).

У твердих електролітах електропровідність може бути зумовлена рухом:

· лише йонів одного типу (напр., катіонами Ag⁺ в AgI, аніонами F^- в PbF₂);

· одночасно катіонами і аніонами;

· електронною складовою провідності поряд з іонною.хер моржа

В розчинах – завдяки електролітичній дисоціації на йони під дією йонізуючого розчинника або в результаті хімічної реакції. За ступенем дисоціації розрізняють Е. сильні та слабкі. Е. є у всіх рідких системах живих організмів, слугують середовищем для проведення хімічних синтезів.

2) Складники рідкого електроліту - речовини, що, самі необов'язково будучи провідниками, здатні утворювати йони внаслідок розчинення в йонізуючих розчинниках (воді, ацетонітрилі, спирті та ін.) або в результаті реакції, чим зумовлюється провідність розчину.

Електропровідність електролітів обумовлена наявністю в них позитивних і негативних іонів (катіонів і аніонів). Долі загальної кількості електрики, переносимої катіонами і аніонами, називаються перенесення числами . Е . е. кількісно характеризують еквівалентною електропровідністю L:

 де з — питома електропровідність розчину (у ом ^-1 · см ^-1 ) , з — - його концентрація (у г · екв/л ) . Гранично розбавленому розчину, в якому молекули електроліту повністю диссоційовані на іони, відповідає найбільше значення L, рівне сумі еквівалентних електропроводностей катіонів і аніонів (див. також Кольрауша закон ) .

Еквівалентна електропровідність електролітів зменшується із зростанням концентрації розчину. У розчинах слабких електролітів L швидко падає із зростанням з, в основному із-за зменшення рухливості іонів і міри дисоціації. У розчинах сильних електролітів зменшення L визначається головним чином гальмуванням іонів із-за взаємодії їх зарядів, інтенсивність якої зростає з концентрацією унаслідок зменшення середньої відстані між іонами, а також із-за зменшення рухливості іонів при збільшенні в'язкості розчину (див. Рухливість іонів і електронів ) . В електричних полях великої протяжності рухливість іонів настільки велика, що іонна атмосфера , гальмівна рух іонів, не встигає утворюватися, і L різко зростає (ефект Віна). Подібне явище спостерігається н при додатку до розчину електроліту електричного поля високої частоти (ефект Дебая — Фалькенхагена).

Електропровідність сильних електролітів задовільно описується теоретичними рівняннями лише в області невеликих концентрацій, наприклад Онсагера рівнянням електропровідності .

Електролітична дисоціація - процес розпаду електроліту на іони при розчиненні його в полярному розчиннику або при плавленні.

Дисоціація в розчинах

Дисоціація на іони в розчинах відбувається внаслідок взаємодії розчиненої речовини з розчинником; за даними спектроскопічних методів, ця взаємодія носить значною мірою хімічний характер. Поряд з сольватірующей здатністю молекул розчинника певну роль в електролітичної дисоціації відіграє також макроскопічне властивість розчинника - його діелектрична проникність (Схема електролітичної дисоціації).

Дисоціація при плавленні

Під дією високих температур іони кристалічної решітки починають робити коливання, кінетична енергія підвищується, і настане такий момент (при температурі плавлення речовини), коли вона перевищить енергію взаємодії іонів. Результатом цього є розпад речовини на іони

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: