Физика. Теория. Методика. Задачи - Демков В.П.
Скачать (прямая ссылка):
1, т.е. внешнее сопротивление должно быть R " г. Если же R " г, то
практически вся мощность будет выделяться в источнике, что может привести
к его перегреву и выходу из строя.
Электролиз
Рассмотрим некоторые особенности электрического тока в проводящих
жидкостях - электролитах. В общем случае электролитами называют растворы
и расплавы солей, щелочей и кислот, способные проводить ток. В этих
средах носителями тока являются положительно и отрицательно заряженные
ионы, которые образуются в результате электролитической диссоциации -
процесса распада электролита на ионы при растворении, никак не связанного
с наличием тока.
429
Прохождение постоянного тока в электролитах всегда сопровождается
выделением на электродах химических составных частей электролита. Этот
процесс называется электролизом.
Рассмотрим два электрода, помещенные в электролит (рис. 13.16).
Положительно и отрицительно заряженные ионы под действием электрического
поля будут двигаться в противоположные стороны: положительные ионы (их
называют катионами) к отрицательному электроду - катоду, а отрицательно
заряженные (анионы) - к положительному электроду - аноду. Достигая анода,
отрицательный ион передает свой заряд электроду, отчего один или
несколько электронов (в зависимости от величины заряда иона) проходят по
внешней цепи, и ион превращается в нейтральный атом или молекулу,
выделяющуюся на аноде. Положительный ион, напротив, заимствует от катода
один или несколько электронов и, нейтрализуясь, выделяется на катоде. Эти
процессы были впервые изучены Фарадеем, который экспериментально
установил, что масса т вещества, выделившегося на каком-либо электроде,
пропорциональна заряду Дq, прошедшему через электролит:
m = kAq, или m = kIAt, (13.39)
где к - электрохимический эквивалент вещества.
Фарадей обратил внимание, что электрохимические эквиваленты различных
веществ всегда пропорциональны атомной массе А и обратно пропорциональны
валентности п, и установил зависимость к от отношения А/п (в химии
отношение А/п называют химическим эквивалентом):
*=Н' (13-40)
где атомная масса А вещества выражена в [кг/моль], а коэффициент
пропорциональности F= | е | NA = 9,6494-104 Кл/моль называется постоянной
Фарадея.
Выражения (13.39) и (13.40) часто называют первым и вторым законами
Фарадея для электролиза.
Рекомендации по решению задач
Задачи, в которых неизвестная величина (сила тока, плотность тока,
средняя скорость упорядоченного движения носителей тока и т.п.) может
быть найдена иа основании определений, решаются по формулам (13.1) -
(13.5) и никаких особых трудностей ие вызывают.
Большая часть задач связана с расчетом параметров сопротивлений
проводников и образованных из них цепей. Если в условии задачи указано,
из какого материала изготовлен проводник, даны его геометрические размеры
(длина, площадь поперечного сечения или объем) или масса, то для
определения сопротивления проводника достаточно воспользоваться формулой
(13.7) и известными соотношениями между массой, плотностью и объемом. Для
решения задач о температурной зависимости сопротивлений проводников, как
правило, достаточно формул (13.7) и (13.8).
анод катод
_
- -е- -е -е
UI * ф-"*
" и (c)-
Рис. 13.16
430
При расчете общего сопротивления цепи, составленной из нескольких
проводников, поступают таким же образом, как при расчете емкости батареи
конденсаторов:
- прежде всего нужно выяснить тип соединений (для этого, возможно,
нужно будет парисовать схему по-другому); понять, какие из проводников
соединены между собой последовательно, а какие - параллельно;
- последовательно заменяя два (или более) сопротивления одним
эквивалентным (при последовательном соединении по формуле (13.11), при
параллельном - по (13.12)), цепь постепенно упрощают, пока ие будет
найдено общее сопротивление;
- если соединение проводников ие относится ии к последовательному, ни
к параллель-
ному, то общее сопротивление соединения можно найти сравнительно просто
только в тех случаях, когда в схеме имеются точки с одинаковым
потенциалом; такие точки можно соединять и разъединять, поскольку через
проводник, включенный между ними, ток не течет. Соединяя (если оии были
разъединены) и разъединяя (если они были соединены) точки с равным
потенциалом, можно сложное соединение проводников свести с комбинации
последовательных и параллельных соединений. Как и в случае батарей
конденсаторов, точки с одинаковым потенциалом есть всегда в соединениях,
обладающих осью или плоскостью симметрии относительно точек входа и
выхода (т.е. относительно точек подключения источника тока). При этом
если точки входа и выхода лежат иа плоскости симметрии, то точки одного
потенциала находятся на концах проводников, которые "перечеркиваются"
этой плоскостью. Если плоскость симметрии перпендикулярна линии, на
которой лежат точки входа и выхода, то равные потенциалы имеют все точки
пересечения этой плоскости с проводниками. Например, в известной схеме -
