Подготовка к вступительным экзаменам в МГУ. Физика - Гомонова А.И.
Скачать (прямая ссылка):
соответствующим отношением для электрона, измеренным ранее другим
способом.
Концентрация свободных электронов в металлах весьма велика -порядка 1022
см'3. В отсутствие внешнего электрического поля эти электроны движутся в
металле хаотически. Под действием электрического поля они, кроме
хаотического движения, приобретают упорядоченное движение в определенном
направлении. Средняя скорость упорядоченного движения электронов
составляет доли
Q = I2Rt.
(3.2.13)
Мощность тока, выделяемая на участке цепи,
R '
(3.2.14)
Мощность, развиваемая источником с ЭДС Е, равна
Р = Е1.
(3.2.15)
164
Постоянный ток
сантиметров в секунду. Свободные электроны сталкиваются с ионами
кристаллической решетки, отдавая им при каждом столкновении часть
кинетической энергии, приобретенной при свободном пробеге под действием
электрического поля. В результате упорядоченное движение электронов в
металле можно рассматривать как равномерное движение с некоторой
постоянной скоростью, пропорциональной напряженности внешнего
электрического поля и, следовательно, разности потенциалов на концах
проводника. В этом состоит качественное объяснение закона Ома на основе
электронной теории проводимости металлов. Построить количественную теорию
движения электронов в металле на основе законов классической механики
невозможно.
Так как часть кинетической энергии электронов, приобретаемой ими под
действием электрического поля, передается при столкновениях ионам
кристаллической решетки, то при прохождении электрического тока проводник
нагревается.
Малые значения скорости упорядоченного движения свободных электронов в
проводниках не приводят к запаздыванию возникновения тока в цепи. При
замыкании цепи вдоль проводов со скоростью света распространяется
электромагнитное поле, которое приводит в движение свободные электроны
практически одновременно во всех точках цепи.
Электрический ток в электролитах. Электролитами называются вещества, в
которых электрический ток осуществляется посредством ионной проводимости,
т.е. упорядоченного движения ионов под действием внешнего электрического
поля. Электролитами являются растворы кислот, щелочей и солей, а также
расплавленные соли. Электрическое поле, вызывающее упорядоченное движение
ионов, создается в жидкости электродами - проводниками, соединенными с
источником тока. Положительно заряженный электрод называется анодом,
отрицательно заряженный - катодом. Положительные ионы (катионы) - ионы
металлов и водородные ионы
- движутся к катоду, отрицательные ионы (анионы) - кислотные
Определения, понятия и законы
165
остатки и гидроксильные группы ОН - движутся к аноду.
Прохождение электрического тока через электролиты сопровождается
электролизом - выделением на электродах веществ, входящих в состав
электролита. Электролиты иначе называются проводниками II рода. В них ток
связан с переносом вещества, в отличие от проводников I рода - металлов,
в которых носителями тока являются свободные электроны.
Возникновение ионов в электролитах объясняется явлением электролитической
диссоциации - распадом молекул растворенного вещества на положительные и
отрицательные ионы в результате взаимодействия с растворителем. Молекулы
растворяемых веществ состоят из взаимосвязанных ионов противоположного
знака (например, Na+Cl~, Н+С1-, K+I~, Cu++S04^ и.д.). Взаимодействие этих
молекул с молекулами растворителя (например, воды) приводит к ослаблению
взаимного притяжения противоположно заряженных ионов. При тепловом
движении молекул растворенных веществ и растворителей происходят их
столкновения, которые приводят к распаду молекул на ионы. Одновременно
происходит процесс воссоединения (рекомбинации) ионов противоположных
знаков в нейтральные молекулы. Между процессами диссоциации и
рекомбинации ионов при неизменных внешних условиях устанавливается
динамическое равновесие.
Ионы в электролитах движутся хаотически до тех пор, пока к электродам не
прикладывается напряжение. Тогда на хаотическое движение ионов
накладывается их упорядоченное движение к соответствующим электродам и в
жидкости возникает электрический ток. Плотность электрического тока в
электролитах подчиняется закону Ома. Однако выражение для удельной
электропроводности электролитов имеет более сложный вид, чем для
металлов.
Закон электролиза (закон Фарадея). Первый закон электролиза (первый закон
Фарадея) гласит: масса вещества, выделившегося на электроде, прямо
пропорциональна электрическому заряду q, прошедшему через электролит:
166
Постоянный ток
т = kq = kit ,
(3.2.16)
где к -коэффициент пропорциональности, называемый электрохимическим
эквивалентом вещества.
Согласно второму закону электролиза (второму закону Фарадея),
электрохимические эквиваленты веществ прямо пропорциональны отношению их
атомных (молярных) масс А к валентности п:
Величина F = 9,648-107 Кл/моль называется постоянной Фарадея. Часто эти
два закона формулируют в виде объединенного закона электролиза (закона
