Электропроводность веществ: Понятие проводников и диэлектриков: высокотемпературная сверхпроходимость

Электропроводность материалов — Студопедия

1. Определите понятие «электропроводность» и назовите величины, определяющие её численно.

Электропроводность – это способность вещества проводить электрический ток, обусловленная наличием свободных зарядов в веществе. Для численного определения этой способности вводятся величины «удельное электрическое сопротивление»,ρ и «удельная электрическая проводимость»,γ.

.

1. Назовите два основных параметра, определяющих электропроводность вещества.

Значение удельной электрической проводимости вещества – γ [См/м]определяется как произведение суммарного заряда свободных носителей в единице объема nq [Кл/м³] и подвижности этих зарядов –u [м²/с×В]:

;

n – концентрация свободных зарядов, [1/м³], q – заряд носителя, [Кл].

1. Что такое «подвижность носителей заряда»?

Подвижностью носителей заряда, uназывается величина, численно равная средней скорости движения зарядов в веществе v, [м/с], при напряженности поля E= 1 В/м.

, [м²/Вс].

1. Какие Вам известны типы электропроводности?

Названия типов электропроводности определяются названиями свободных носителей зарядов:

— электронная(дырочная),

— ионная,

— молионная.

Молионная электропроводность иногда называется катафоретической или электроосмотической – по названию явлений (электрофорез, электроосмос), связанных с движением молионов в электрическом поле.

1. Что такое «молион»?

Молион – это заряженная микроскопическая частица твердого вещества в жидкой среде. Заряд молиона обусловлен избирательной адсорбцией поверхностью частицы из раствора ионов одного знака. В водной среде частицы обычно заряжаются отрицательно.

1. Сравните размеры носителей заряда при разных типах электропроводности.

По мере возрастания размера, заряженные частицы располагаются следующим образом:

Электрон <ион<молион.

Соответственно снижается их подвижность.

1. Что такое «удельное электрическое сопротивление»?

Удельное электрическое сопротивление,ρ – это параметр вещества, численно равный измеренному в плоско-параллельном поле сопротивлению образца длиной 1 м с площадью поперечного сечения 1 м².

1. В каких единицах измеряются удельное электрическое сопротивление и удельная электрическая проводимость?

Удельное электрическое сопротивление измеряется в [ ] или в [Ом×м].

Удельная электрическая проводимость измеряется в [См/м].

1. На какие классы подразделяются материалы по значению удельного электрического сопротивления?

Проводники…………………………………………..ρ = 10^-8…10^-6Ом×м;

Слабопроводящие материалы (полупроводники)…ρ = 10^-6…10⁺⁷Ом×м;

Диэлектрики (изоляционные материалы)…………. ρ = 10⁺⁶…10²⁰Ом×м.

Электропроводность химических соединений — Справочник химика 21

    Включает описание различных физических свойств химических соединений (термические величины, вязкость, электропроводность, плотность, дипольный момент и др.). [c.128]

    В 1896 г. Беккерель обнаружил, что соли урана испускают какие-то лучи, которые проходят через черную бумагу и засвечивают фотопластинку, подобно известным уже в то время лучам Рентгена. Эти же лучи вызывают флуоресценцию некоторых веществ, а также появление электропроводности в воздухе. Открытое явление было названо радиоактивностью. Беккерель установил, что радиоактивность — это свойство элемента урана, не зависящее от его агрегатного состояния или формы химических соединений, в состав которых он входит. [c.575]

    В полупроводнике, представляющем собой химическое соединение, свободных носителей тока нет. Только тепловое движение, поглощение света или другие энергетические факторы приводят к возбуждению электронов и делают вещество проводником электричества. Тепловое движение ослабевает с понижением температуры, соответственно убывает и электропроводность полупроводников, падая до нуля. При достаточно низкой температуре полупроводник становится изолятором, и резкой границы между ними нет. В то же время металл нельзя превратить в проводники другого типа термической обработкой. [c.160]

    Учение о химической связи занимает центральное место в современной химии. Без понимания природы взаимодействия атомов нельзя понять многообразия химических соединений, причин их образования и реакционной способности. От характера сил, действующих между атомами элементов, зависят и свойства образующихся веществ механические, оптические, электрические и др. В сущности все свойства тел непосредственно связаны с особенностями химической связи в них. Например, зависимость электрических свойств от типа связей в них в самых общих чертах обнаруживается в электропроводности.  [c.86]

    Чистый фторид водорода (температура плавления —83,36 С,, температура кипения 19,52 °С) ток не проводит, но его расплавленные химические соединения диссоциированы и обладают заметной электропроводностью ( 18 Ом/м при 100 °С). При осуществлении электролиза в расплаве протекает суммарная полезная реакция  [c.246]

    Облучение кристаллов ведет как к изменению регулярности строения кристаллической решетки, так и к радиолизу химического соединения, образующего кристалл. Исследования показали, что облучение ионных кристаллов ведет к увеличению числа анионных и катионных вакансий. При этом часть электронов, образовавшихся в результате радиолиза, занимают анионные вакансии. Подобное расположение электронов обусловливает изменение электропроводности по сравнению с электропроводностью не-облученного кристалла. [c.216]

    Электропроводность индивидуального химического соединения — характеристика, обладающая известным своеобразием по сравнению с большинством иных физических свойств. Точные значения X определены лишь для жидких металлов, многих металлических и гораздо меньшего числа ионных расплавов. Электропроводность индивидуальных неорганических и органических жидкостей (вопрос, имеющий большое значение для проблематики данной книги, поскольку он связан с подбором жидких композиций для электроосаждения металлов) существенно зависит от их чистоты. Кроме того, величина ус зависит от условий и способа измерений, в частности от частоты тока [96] при измерениях на переменном токе. Относительно последних в настоящее время нет установившейся точки зрения. Поэтому нередки случаи, когда значения у, индивидуальных жидкостей по данным разных авторов (например, [79, 959, 136]) различны (до двух порядков). [c.21]

    Проводниковые материалы, как правило, обладают высокой пластичностью, антикоррозионной стойкостью, достаточной механической прочностью такие свойства необходимы при изготовлении из них проводов, профилированных токонесущих деталей и т.п. Проводниковые материалы обладают электронной проводимостью. Наиболее электропроводны, при обычных температурах, химически чистые I-валентные металлы. При весьма низких температурах некоторые металлы и сплавы обладают сверхпроводимостью. Статические искажения кристаллической решетки, ее динамические нарушения, а также процессы, связывающие электроны, понижают электропроводность проводниковых материалов первое имеет место при образовании твердых растворов, пластической деформации, воздействии проникающего ядерного излучения второе -при нагреве третье — при

Электропроводность неорганических веществ — Справочник химика 21

    Химически чистая вода практически не проводит электрического тока. Водные растворы многих органических веществ (спиртов, альдегидов, кетонов, углеводов) также не-электропроводны. Но при растворении неорганических веществ (солей, кислот, оснований, большинства оксидов) раствор приобретает электрическую проводимость. [c.203]

    Коллоидные растворы неорганических веществ и водные растворы многих высокомолекулярных органических соединений (белков, крахмала и др. ) хорошо проводят электрический ток, но это явление гораздо сложнее, чем для электролитов. Для разбавленных растворов электролитов установлена вполне определенная зависимость между удельной электропроводностью х, концентрацией с, степенью электролитической диссоциации а и суммой абсолютных скоростей движения катиона к и аниона Иа [c.92]

    При исследовании качества воды обращают внимание на ее цвет, запах, вкус, прозрачность воды (или ее мутность), изменения при хранении, определяют температуру, содержание взвещенных и растворенных примесей, в том числе СО2, жесткость, окисляемость органических и неорганических веществ, активную реакцию воды (кислотность или щелочность), электропроводность, а также бактериальную и радиоактивную загрязненность. [c.27]

    Известно, что только фториды РЗЭ и различные соли серебра имеют ионную проводимость при комнатной температуре. Поэтому большой интерес представляют исследования по искусственному увеличению электропроводности кристаллических веществ за счет введения в структуру кристалла определенного количества примесей, которые увеличивают число дислокаций в кристаллической решетке и тем самым повышают концентрацию переносчиков тока. Отсутствие соединений с ионным характером проводимости заставило исследователей использовать в качестве чувствительных элементов ион-селективных электродов более сложные композиции, состоящие из смеси веществ с ионной проводимостью и труднорастворимого неорганического соединения, содержащего ион, одноименный с ионом активного компонента. Обычно в качестве активного компонента используют сульфид серебра. Механизм работы такого электрода основан на введении в осадок сульфида серебра сульфида другого металла с большим значением произведения растворимости, чем для сульфида серебра. В электропроводном слое в этом случае должны протекать реакции  [c.143]

    Несколько ины

Электропроводность органические вещества — Справочник химика 21

    Определение влаги производят физическими, химическими и физико-химическими методами. К физическим методам определения воды относятся удаление воды высушиванием, азеотропная дистилляция, определение содержания воды по изменению электропроводности, поглощению инфракрасных лучей. К химическим методам относятся взаимодействие воды с гидридами щелочных и щелочноземельных металлов, карбидом кальция, нитридом магния, уксусным ангидридом, реактивом Фишера. К физико-химическим методам определения воды относят химические методы, в которых конец реакции определяют при помощи ручных или автоматических электрометрических установок. Выбор метода определения влаги в органических веществах зависит от стойкости анализируемого продукта. [c.199]








    Изучением электропроводности органических веществ стали заниматься с начала XIX в. Так в 1803 г. Петров, пользуясь мощным вольтовым столбом, изучал электропроводность растительных масел и винного спирта. Гротгус в 1818 г. показал, что электролиз в органических средах либо значительно замедляется, либо прекращается вовсе. В начале 1830-х годов Фарадей пришел к выводу, что ледяная уксусная кислота, маргариновая и олеиновая кислоты, камфора, [c.132]

    Методы очистки воды с помощью ионообменных смол в настоящее время широко применяют как в лабораторных условиях, так и в промышленности. Ионообменные смолы — это нерастворимые высокомолекулярные вещества, которые имеют ионогенные группы гидроксила и гидроксония, способные к реакциям обмена с ионами, содержащимися в воде. Удалить диссоциированные в воде соединения можно фильтрованием воды либо последовательно через колонки с анионитом и катионитом, либо через смесь катионита и анионита (фильтр смешанного действия). Этим методом можно получить воду с очень низким значением удельной электропроводности. Обычно в деионизованной воде из неорганических примесей присутствуют только соли кремниевой кислоты или соединения железа в коллоидном состоянии. Однако в воде, очищенной на ионообменных смолах, содержатся примеси органических веществ, которые вымываются из ионитов (незаполимеризо-ванные мономеры, катализаторы синтеза и стабилизаторы высокомолекулярных соединений). В связи с этим деионизованная вода обычно не применяется при исследованиях строения границы между электродом и раствором, а также электрохимической кинетики. [c. 27]

    Электрохимическое фторирование начало развиваться лишь в последнее время, по оно имеет ряд преимуществ по сравнению с только что описанными методами. Сущность его состоит в следующем при электролизе безводного фтористого водорода (с добавлением фторидов металлов для повышения электропроводности) выделяющийся на аноде фтор немедленно реагирует с растворенным или эмульгированным в жидкости органическим веществом. Благодаря протеканию реакций в жидкой фазе при перемешивании, достигается хороший теплоотвод и суы ествуют широкие возможности регулирования процесса. При этом не приходится предварительно получать и очищать молекулярный фтор, который все равно производят в промыщленности методом электролиза. Наилучшие результаты электрохимическое фторирование дает при синтезе перфторзамещенных карбоновых кислот, простых и сложных эфиров, аминов, сульфидов и других соединений, растворимых в жидком фтористом водороде. [c.162]

    Борная кислота растворима во многих органических растворителях, особенно в гидроксилсодержащих. Электропроводность водных растворов борной кислоты повышается при добавлении органических веществ, и особенно многоатомных спиртов, таких, как маннит, дульцит, глицерин. Сила борной кислоты вследствие таких добавок возрастает настолько, что ее можно титровать в этом случае с применением в качестве индикатора фенолфталеина. Это объясняется образованием комплексов с органическими веществами. Подробнее об этом см. в следующей главе. Органические вещества, и в первую очередь кислотные остатки, также способны присоединяться к борной кислоте с образованием так называемых гетерополикислот ом. т. II). [c.375]

    Различная способность к графитации коксов объясняется неодинаковыми возможностями для ориентации ароматических макромолекул, образующихся при нагреве органических веществ, что определяется двумя факторами химическим строением исходного вещества [1—4] и условиями его карбонизации )[5, 6]. В этих работах показано, что изменение условий карбонизации, т. е. приложение давления на стадии карбонизации к неграфитирующемуся в обычных условиях веществу позволяет получить графитирующийся кокс. Под давлением в материале формируются участки с предпочтительной ориентацией ароматических макромолекул, что обусловливает получение кокса с высокой способностью к графитации. Сравнительное исследование электронных свойств (термоэлектродвижущей силы, электропроводности) кокса фенолформальдегидной смолы (ФФС), полученного без приложения давления и под давлением, показало, что основные этапы структурных превращений в этих материалах практически одинаковы, несмотря на их различную способность к графитации [7]. [c.188]

    Электрохимическое фторирование проводят при 5—20 °С в стальной аппаратуре. В качестве анодного материала используют никель, реже монель-металл. Большинство органических веществ образует с фтористым водородом электропроводные растворы, поэтому отпадает необходимость введения электропроводящих добавок. Иногда для повышения электропроводности во фтористом водороде растворяют фториды натрия или калия. [c.223]

    Ионная связь имеет свои особенности. Она отличается значительной полярностью, а вещества, содержащие

1.2. Электропроводность диэлектриков. 1. Диэлектрические материалы. Химия радиоматериалов. Курс лекций

1.2.1. Электропроводность твердых диэлектриков

1.2.2. Электропроводность жидкостей

1.2.3. Электропроводность газов

1.2.4. Поверхностная электропроводность диэлектриков

Все диэлектрические материалы под воздействием постоянного напряжения пропускают некоторый незначительный ток, называемый током утечки. Чем выше удельное сопротивление материала r, тем выше качество электроизоляционного материала. Электропроводность диэлектриков имеет ряд характерных особенностей.

Во-первых, ввиду очень большого удельного сопротивления диэлектрика, ток через объем участка изоляции — объемный сквозной ток I_V — очень мал и сравнимым с ним оказывается ток по поверхности — поверхностный сквозной ток I_S. Поэтому необходимо учитывать наряду с объемным и поверхностный ток, полагая общий ток участка изоляции равным:

. (1.3)

Следовательно проводимость G = I / U складывается из проводимостей объемной G = I_V / U и поверхностной G = I_S / U:

. (1.4)

Величины обратные указанным проводимостям, называют сопротивлениями участка изоляции — объемным R_V и поверхностным R_S. Общее сопротивление изоляции определяют как результирующее двух параллельно включенных сопротивлений:

. (1.5)

Под удельным сопротивлением диэлектрика ρ обычно понимают удельное объемное сопротивление, а для характеристики R_S вводят понятие удельного поверхностного сопротивления r _S.

Второй характерной особенностью электропроводности диэлектриков является постепенное спадание тока со временем после подключения постоянного напряжения. В начальный промежуток времени в цепи протекает быстро спадающий ток смещения I_см, плотность которого J_см = ∂D /∂t. Этот ток прекращается за время порядка постоянной времени RC схемы источник — образец, которое обычно мало. Однако ток продолжает изменяться и после этогочасто в течение минут и даже часов. Медленно меняющуюся составляющую тока, обусловленную перераспределением свободных зарядов в объеме диэлектрика, называют током абсорбции I_абс.

Ток абсорбции связан с поглощением носителей заряда объемом диэлектрика: часть носителей заряда встречает на своем пути дефекты решетки, захватывающие и удерживающие носители. Со временем, когда все дефекты заполнятся носителями, ток абсорбции прекращается и остается только не изменяющийся во времени сквозной ток I_скв, который обусловлен прохождением носителей заряда от одного электрода до другого и равен сумме объемного и поверхностного сквозных токов:

(1.6)

Ток абсорбции приводит к накоплению носителей заряда в определенных местах диэлектрика — дефектах решетки, границах раздела, неоднородностях. Вследствие появления объемных зарядов распределение напряженности поля в диэлектрике становится неоднородным.

1.2.1. Электропроводность твердых диэлектриков

Электропроводность твердых диэлектриков чаще всего носит не электронный а ионный характер. Это связано с тем, что ширина запрещенной зоны в диэлектриках D W >> kT и лишь ничтожное количество электронов может отрываться от своих атомов за счет теплового движения. Ионы же часто оказываются слабо связанными в узлах решетки, и энергия W, необходимая для их срыва, сравнима с kT. Поэтому, несмотря на меньшую подвижность ионов по сравнению с подвижностью электронов, ионная проводимость оказывается больше электронной за счет большей концентрации свободных ионов:

(1.7)

Носителями заряда в диэлектриках обычно оказываются ионы малых размеров, подвижность которых выше.

Удельная электрическая проводимость твердых диэлектриков, как и полупроводников, растет с ростом температуры по экспоненциальному закону:

. (1.8)

Однако зависимость g (Т) часто обусловлена не экспоненциальным ростом концентрации носителей, как в полупроводниках, а ростом подвижности.

Обычно в диэлектрике имеется несколько видов носителей заряда. Например, кроме ионов основного вещества могут иметься слабо связанные ионы примесей. В этом случае удельная проводимость складывается из собственной и примесной.

Ионная электропроводность сопровождается переносом вещества: положительные ионы движутся к катоду, а отрицательные к аноду. Электролиз особенно ярко выражен при повышенных температурах, когда r мало, и приложении высоких постоянных напряжений. По выделившемуся на электродах веществу можно определить характер носителей заряда. У диэлектриков с чисто ионным характером электропроводности строго выполняется закон Фарадея пропорциональности между количеством пропущенного электричества и количеством выделившихся веществ.

Некоторые диэлектрики обладают электронной или дырочной электропроводностью. Однако носителями часто являются электроны не основного вещества, а примесей и дефектов.

В кристаллах удельное сопротивление зависит от направления. Вдоль оптической оси оно ниже, чем поперек этой оси.

1.2.2. Электропроводность жидкостей

Электропроводность жидкостей обусловлена ионами, образующимися при диссоциации молекул самой жидкости или ее примесей. В связи с увеличением энергии хаотического теплового движения молекул степень ионизации и концентрация ионов растет с повышением температуры по экспоненциальному закону:

, (1.9)

где W- энергия диссоциации. Отсюда удельная проводимость:

. (1.10)

Здесь μ₊ и μ_– — подвижности положительных и отрицательных ионов; q — заряд иона; n и А — константы.

Диссоциация молекул легче происходит в полярных жидкостях, чем в неполярных. Ввиду того, что энергия диссоциации полярных жидкостей значительно меньше, чем неполярных, их удельная проводимость существенно выше. Так, для сильно полярных жидкостей (дистиллированная вода, этиловый спирт) r = 10³ — 10⁵, для слабо полярных (касторовое масло) r = 10⁸ — 10¹⁰, для неполярных (бензол, трансформаторное масло) r > 10¹⁰ — 10¹³ Ом× м. В неполярных жидкостях молекулы основного вещества практически не диссоциируют на ионы, и их электропроводность обусловлена примесями, особенно полярных веществ.

В жидкостях с примесями иногда наблюдается молионная электропроводность, характерная для коллоидных систем, которые представляют собой тесную смесь двух веществ (фаз), причем одна фаза в виде мелких частиц равномерно взвешена в другой. Наиболее часто встречаются в электроизоляционной технике эмульсии и суспензии. Стабильность эмульсий и суспензий объясняется наличием на поверхности частиц дисперсной фазы электрических зарядов. Такие заряженные частицы дисперсной фазы и называют молионами. При наложении на коллоидную систему электрического поля молионы приходят в движение, что выражается в виде электрофореза.

1.2.3. Электропроводность газов

Электропроводность газов обусловлена наличием в них некоторого количества заряженных частиц. В нормальных условиях число заряженных частиц в 1 м³ воздуха не превышает нескольких десятков миллионов.

Происхождение носителей заряда в газах объясняется различными факторами: радиоактивным излучением Земли; радиацией, проникающей из космического пространства; излучением Солнца; иногда тепловым движением молекул и т. п. При поглощении энергии бомбардирующей частицы молекула газа теряет электрон и превращается в положительный ион. Высвобождаемый при этом электрон «прилипает» к нейтральной молекуле, образуя отрицательный ион.

Заряженные ионы, так же как и окружающие их не имеющие электрического заряда молекулы газа, совершают беспорядочные тепловые движения, и вследствие диффузии происходит выравнивание концентрации ионов в газе. При встрече положительных и отрицательных ионов происходит их рекомбинация.

В стационарном случае, когда число ионов не изменяется с течением времени, между процессами генерации и рекомбинации устанавливается динамическое равновесие при котором число положительных ионов в газе равно числу отрицательных ионов N₊ = N_–, а число рекомбинирующих ионовпостоянно N_р = a N₊ N_–, где a — коэффициент рекомбинации ионов газа [м³/с].

При наложении внешнего электрического поля положительные и отрицательные ионы, преодолевая сопротивление трения газа, будут двигаться между электродами со скоростями u ₊ = m ₊E и u _– = m _–E, где m ₊ и m _– — подвижности положительного и отрицательного ионов.

Если напряженность поля Е очень мала, так что протекающий ток не меняет концентрации ионов в газе, плотность тока

. (1.11)

Принимая во внимание, что J = g Е, получаем выражение для удельной проводимости газа:

(1.12)

При малых значениях напряженности внешнего электрического поля, когда N_р, a , m ₊ и m _– можно считать постоянными, плотность тока в газе прямо пропорциональна напряженности приложенного поля, т. е. в этих условиях соблюдается закон Ома.

Однако при дальнейшем возрастании напряженности поля закон Ома не выполняется. В этом случае все ионы будут уходить на электроды не рекомбинируя. Так как число ионов в газе при малых полях ограничена и не зависит от напряжения, то дальнейшее повышение напряжения не вызывает увеличения тока. Этот ток называют током насыщения. Значение плотности тока насыщения в газах не превышает 10^-16 — 10^-14 А/м².

При дальнейшем повышении Е до значений, близких к электрической прочности Е_пр, возникает возможность генерации заряженных частиц в электрическом поле из-за появления ударной ионизации. В предпробивных полях создаются условия для возникновения «лавин», и ток очень резко возрастает, пока при J = Е_пр не наступает пробой газа.

1.2.4. Поверхностная электропроводность диэлектриков

Поверхностная электропроводность диэлектриков создается благодаря неизбежному увлажнению, окислению, загрязнению и т. д. поверхностных слоев электрической изоляции. Поэтому диэлектрик характеризуется значением удельного поверхностного сопротивления R_S.

, (1.13)

где h — расстояние между параллельными друг другу кромками электродов, b — длина электродов.

У проводниковых материалов поверхностные токи исчезающе малы по сравнению с объемными, поэтому у этих материалов поверхностное сопротивление не учитывается. Не определяется поверхностное сопротивление и у жидких и газообразных диэлектриков. Не имеет смысла определение поверхностного сопротивления и у тонких слоев твердых диэлектриков так как в этом случае практически невозможно отделить поверхностные токи утечки от объемных.

Характер зависимости R_S диэлектриков от различных факторов (температуры, влажности, величины приложенного напряжения) сходен с характером изменения R. Однако при изменениях влажности окружающей среды значения R_S изменяются быстрее, чем значения R.

Рост поверхностной проводимости для растворимых диэлектриков объясняется наличием на их поверхности ионов, а для пористых — влаги. Кроме того, R_S падает при загрязнении поверхности диэлектрика.

Для повышения поверхностного сопротивления электроизоляционных изделий их покрывают влагостойкими гидрофобными веществами с большим значением R_S.

лекции по курсу Электротехнические материалы

      Электропроводность присуща всем материалам, без исключения. Дело в том, что заряды присутствуют в любых, даже самых идеальных диэлектриках, не говоря уже о металлах и полупроводниках. В этой лекции будут рассмотрены следующие вопросы:

2.1. Основное уравнение электропроводности.

2.2. Электропроводность проводников, полупроводников и диэлектриков

2.3. Проводимость
жидких диэлектриков и электролитов. 

2.1. Основное уравнение электропроводности. 

в
начало лекции

      Способность любых материалов проводить электрический ток определяется наличием зарядов в нем и возможностью их движения. Можно написать наиболее общую формулу, для плотности тока j верную для любых сред, 

j = S
n_i·q_i·V_i                                                                              
 
(2.1) 

      Здесь i — тип или cорт заряда, (например электроны, ионы различных молекул, молионы, заряженные частицы и т.п.),
n_i — концентрация зарядов i-cорта, q_i — значение заряда,
V_i — скорость носителей заряда. 

     Чтобы разобраться с электропроводностью разных материалов, необходимо понять, какие в них плотности (концентрации) заряда, как они появляются и от чего они зависят, какие величины зарядов, с какими скоростями могут двигаться. Все это главные вопросы в изучении электропроводности. 

    Для всех сред, за исключением вакуума, скорость носителей пропорциональна напряженности поля 

V_i = b_i·E                                                                                       
  
(2.2),

 где b_i — подвижность носителей заряда. 

Подвижностью носителей
заряда называется коэффициент пропорциональности между скоростью носителей заряда
V_i и напряженностью поля E. 

     Размерность подвижности —  м²/(В с). Фактически подвижность численно равна скорости носителей заряда при напряженности поля 1 В/м. 

    
Типы носителей заряда и их подвижность могут быть разными в различных средах. Подвижность носителей также сильно зависит от среды. Выражение (2.1) можно переписать, используя другие термины

 j =
s·E,  s = S·n_i·q_i·m_i                                                                  
(2.3) 

Здесь s — удельная электропроводность. Еще один вариант записи выражения (2.3) 

j = E/r                                                                                           
(2.4) 

где r — удельное сопротивление. 

     
Нетрудно убедиться, что это все разные способы записи
закона Ома в дифференциальной форме, для локальных параметров электрической цепи. Вы знаете, что для участка цепи закон Ома можно записать в виде I
= U/R. Нетрудно убедиться, что для участка цепи, используя (2.4), площадь сечения участка S, длину
l несложно получить классическое выражение для закона Ома. Для этого обе части в (2.4) умножаем на S, затем в правой части числитель и знаменатель умножаем на
l. Получим в левой части ток, в числителе правой части напряжение, а если S перенести в знаменатель, то в знаменателе получим сопротивление. Таким образом мы доказали идентичность закона Ома в дифференциальной форме и в классической форме. 

2.2. Электропроводность проводников, полупроводников и диэлектриков.

в
начало лекции

       Анализ выражений
(2.2 — 2.4) проведем с учетом природы и поведения носителей заряда в различных средах. В первую очередь необходимо выяснить механизмы появления и исчезновения зарядов. 

      
Сначала необходимо рассмотреть электронное строение разных сред. 

       В газах электроны находятся на орбитах, принадлежащих конкретным атомам, или молекулам. Согласно квантовой модели атома, электрон может находиться только на определенных орбитах, которым соответствуют определенные, квантованные уровни энергии. На каждом уровне может находиться только один электрон. Электрон, находящийся на уровне, соответствующем самой дальней орбите, имеет самую слабую связь с ядром. Поэтому он легче всего ионизируется, т.е отрывается от ядра. 

Энергия, которую надо сообщить электрону, находящемуся в основном состоянии, для отрыва от «материнского» иона называется
энергией
ионизации W. 

      
Чтобы оторвать второй электрон, надо сообщить ему гораздо больше энергии. Это второй уровень ионизации. Существует несколько уровней возбуждения, т.е. если сообщить электрону, энергию меньшую, чем энергия ионизации, то электрон перейдет на какой-либо уровень возбуждения. Все уровни дискретны. Их можно схематически изобразить на рисунке. 

      
При сближении, допустим, двух атомов с одинаковыми энергетическими уровнями до расстояния, когда орбиты перекрываются, произойдет объединение электронных систем, причем каждый уровень разделится на два, которые чуть-чуть отличаются один от другого. Дело в том, что согласно законам квантовой физики, в принципе
в любой системе не может быть двух одинаковых уровней. Этот принцип называется
принципом Паули. Когда объединятся три атома — будет три расщепленных уровня. Когда образуется кристалл — будет из каждого уровня образована
некоторая область разрешенных энергий,
которая называется зона. В принципе в зоне уровни практически сливаются и можно говорить о сплошном спектре. При этом верхняя часть зоны располагается выше, чем начальный уровень
в одиночном атоме. Нижняя часть зоны располагается ниже, чем начальный уровень. 

     
Могут возникнуть ситуации, когда из-за этого сдвига, зоны, соответствующие разным уровням, будут перекрываться. Здесь наиболее интересен случай, когда перекрывается зона, занятая электронами и зона, которая появилась из расщепленного возбужденного уровня.
Именно этот случай соответствует металлам. Когда эти зоны не перекрываются, между ними существует область запрещенных энергий, т.н. запрещенная зона. В зависимости от ширины этой зоны можно говорить о полупроводниках и диэлектриках. 

   
Для металлов зоны перекрываются и электроны могут свободно перемещаться по образцу. Ширина запрещенной зоны равна нулю. Поэтому подвижные электроны всегда существуют в металлах в большом количестве. 

Можно посмотреть на это с других позиций. Дело в том, что в атомах металлов электроны достаточно слабо связаны с ионными остатками. Поэтому при образовании из атомов собственно материала металла эти электроны от разных атомов как
— бы обобществляются и могут свободно передвигаться по всему объему металла. Они и являются носителями заряда. Примерное количество электронов в металле составляет около
10²² шт/см³. Их подвижность также велика. Оценки дают значения
b_i примерно 10^-2-10^-1 м²/(В
·с). Значения удельного сопротивления у металлов обычно находятся в диапазоне 0.01
мк·Ом·м до 1 мк·Ом·м. 

     
При протекании тока в металле электрическое поле невелико. Можно сделать простую оценку по выражению (2.2). Если взять медный провод сечением 2 мм² и пропустить ток 5 А, то при удельном сопротивлении меди =1.7
10^-8 Ом·м, получим E = j· r = 4·10^-2 В/м, или E
= 40 мВ/м. Если таким проводом протянуть питание на 1 км, то получим на нем падение напряжения 40 В. 

     
В диэлектриках и полупроводниках, зонная структура такова, что существует запрещенная зона определенной ширины. 

В
полупроводниках ширина зоны составляет примерно от доли электрон-вольта до 3 электрон-вольт, в диэлектриках ширина зоны составляет примерно от 3 электрон-вольт до 10 электрон-вольт. 

Для того, чтобы возникла электропроводность в этих веществах, заряды должны попасть из валентной, занятой электронами зоны, в зону проводимости, т.е.
любой свободный носитель заряда появится, если только ему сообщить энергию, не меньшую, чем ширина запрещенной зоны. 

     
Под действием не очень сильных электрических полей, заряды появляются, в первую очередь, путем термоионизации молекул основного вещества или примесей, либо за счет появления из электродов. Последний способ называется эмиссией носителей заряда. При всех способах в диэлектрике появляются, в основном, электроны и ионы. Оценку
их концентрации n_i можно сделать из общих энергетических соображений. Изменение концентрации носителей заряда определяется
в соответствии с обычным законом Аррениуса

dn_{i/dt ~ n·n·e^-W/kT                                                                           
(2.5)} 

где n — плотность молекул, — частота колебаний электрона в молекуле
(~10¹⁴1/сек), W — энергия ионизации (ширина запрещенной зоны), k- постоянная Больцмана, Т — температура. При комнатной температуре kT~1/40 эВ. 

      
Здесь важно учесть не только появление носителей заряда, но и их исчезновение. Механизмы исчезновения зарядов — рекомбинация электрона с ионом, уход на поверхности и электроды. Для рекомбинации можно воспользоваться выражением

 dn_{i/dt = — Krni ²                                                                                   
(2.6)} 

где K_r — коэффициент рекомбинации. В равновесии количество носителей не меняется со временем,
складывая (2.5) и (2.6) и приравнивая сумму нулю получим окончательное выражение. 

n_i
= (N /K_r)^1/2 ·e^-W/2kT                                                                    
(2.7) 

         Оценим проводимость по (2.3) с учетом (2.7): 

Твердые диэлектрики. Здесь носителями заряда могут быть электроны и дырки. Ионы «вморожены» и практически не имеют возможности движения
b_i ~10^-23 м²/(В ·с). Подвижность электронов и дырок достаточно высока и может достигать
b_e~10^-3 м²/(В·c). Количество электронов и дырок определяется шириной запрещенной зоны W~5-10 эВ, тепловой энергией kT~1/40 эВ, плотностью молекул
n~10²⁷ шт/м³ и составляет пренебрежимо малую величину. Оценить ее ничтожность для диэлектриков можно с помощью выражения (2.5) 

dn_{i/dt ~ 10²⁷e^-200 ·10¹⁴ ~ 10⁴¹20^-67~10⁴¹2-⁶⁷10^-67 ~
10⁴¹10^-2010^-67~10^-46 шт/(м³·сек).
Образование свободных носителей заряда в
разумном количестве, характерном для
хороших диэлектриков, практически
невероятно. Рекомбинация носителей заряда в твердых телах не затруднена. Ясно, что по этому механизму проводимость твердых диэлектриков практически отсутствует, т.к. заметное изменение концентрации возможно лишь за времена, сопоставимые с геологическими периодами. Поскольку основную роль в выражениях (2.7), (2.5) играет экспоненциальный множитель, то лишь наличие примесей с энергетическими уровнями внутри запрещенной зоны, вблизи от
краев зоны с W~1 эВ, дает возможность проводимости твердых тел. Поскольку таких примесей обычно немного, электропроводность диэлектриков обычно мала.} 

Таким
образом, электропроводность диэлектриков
определяется наличием примесей, уровни
энергии которых, близки к уровням краев
зоны проводимости или запрещенной зоны.

      
Полупроводники. Для полупроводников с малой шириной запрещенной зоны существенный вклад в электропроводность может дать термоионизация молекул вещества. Однако гораздо более сильную роль играют специальные, т.н. «легирующие» добавки. Дело в том, что если в полупроводник ввести примеси, энергетические уровни которых будут попадать в запрещенную зону основного вещества, то ионизация этих уровней, если они заняты и энергетически близки к зоне проводимости приведет к появлению зарядов в зоне проводимости. Если уровни не заняты,
но энергетически близки к валентной зоне, то электроны могут выйти из валентной зоны и осесть на этих уровнях. Тогда в валентной зоне появятся подвижные положительно заряженные объекты, т.н. дырки. 

       
Газообразные диэлектрики. Рекомбинация носителей не затруднена, т.к. заряды разного знака могут беспрепятственно сближаться на близкое расстояние. В оценке считаем
n ~ 10²⁵ шт/м³, энергию ионизации
W~10-20 ^{эВ, подвижность электронов b_e~10-3 м2/(В·c), ионов
b_i~10-4 м2/(В·c), заряд e  = 1.6 10-19
Кл. Определяющим фактором является экспоненциальный множитель
e-W/kT} 

  dn_{i/dt ~ 10²⁵e^-400 ·10¹⁴ ~
10³⁹20^-133 ~ 10³⁹2^-13310^-133 ~
10³⁹10^-4010^-133 ~ 10^-136 шт/(м³·сек), что дает пренебрежимо малую проводимость.} 

На самом деле фактором, определяющим проводимость газов, является космическое излучение. Обычно в воздухе образуется порядка 1000 шт. электронов и ионов в 1 см³ за 1 сек. Часть электронов и ионов быстро рекомбинирует, часть прилипает к нейтральным молекулам, образуя долгоживущие отрицательные ионы. В равновесии в объеме газа обычно находится до
10⁹ ионов/м³. Отсюда проводимость воздуха за счет естественной ионизации составит
~10^-14 Cм/м. Отметим, что если искусственно создавать носители заряда, 
то в газе можно получить высокую проводимость. 

2.3. Проводимость жидкостей и электролитов. 

в
начало лекции

           Жидкости. Современные представления о проводимости диэлектрических жидкостей состоят в следующем. Здесь носителями заряда являются ионы, т.к. электроны легко прилипают к нейтральным молекулам жидкости и не могут существовать в свободном состоянии. Кроме того, в жидкости заряды могут переноситься молионами, частицами и даже пузырьками. Ионизация облегчена по сравнению с газами за счет большей диэлектрической проницаемости, ибо высота потенциального барьера (энергия ионизации) понижена в
e раз. Это можно показать рассматривая кулоновскую энергию взаимодействия двух зарядов +e и -e, разошедшихся на расстояние
r   W
= e²/(4pe₀er). Рекомбинация носителей заряда в жидкости затруднена, поскольку заряды
взаимодействуют со средой, а именно, легко окружаются соседними молекулами, ориентированными соответствующими концами постоянных или индуцированных диполей к ионам. 

Эффект взаимодействия со средой называется
сольватацией.     
Ионизироваться могут молекулы основной жидкости, или примесей, если они являются
ионофорами, т.е. имеющими преимущественно ионную связь между частями молекулы. Характерный пример ионофора — молекула NaCl, которую можно представить состоящей из ионов Na+ и Cl-. В жидкости молекула NaCl может растворяться и существовать сразу в виде ионов, либо ионных пар (Na+Cl).
Превращение молекулы в пару ионов
называется диссоциацией. Помимо ионофоров, в жидкости могут существовать
ионогены, т.е. вещества, образующие ионы только при взаимодействии друг с другом. Например вода, растворенная в диэлектрической жидкости, может облегчать ионизацию других примесей, растворенных в жидкости. Оценка по выражению (1.9) степени ионизации примеси с потенциалом ионизации 4 В, растворенной в жидкости
с e
= 2 в количестве 1% с учетом рекомбинации (коэффициент рекомбинации
K_r ~ 10^-15 м³/cек) дает, что практически вся примесь оказывается диссоциированной на ионы. 

         
Что касается подвижности, то она определяется движением жидкости. При этом подвижности любых ионов близки друг другу, т.к. ионы «вморожены» в жидкость и переносятся «микроструйками» жидкости. Наши эксперименты по исследованию движения носителей заряда и микропузырьков в нитробензоле под действием сильных импульсных электрических полей показали, что и пузырьки и ионы движутся при временах воздействия менее 1 мкс. Отсюда был сделан вывод, что они переносятся микроструйками, которые образуются за времена менее 1 микросекунды. Доказательством образования струек являлось зарегистрированное оптическим способом, в сочетании с электрооптическим способом, движение различных носителей заряда и пузырьков с одинаковыми скоростями. 

       
Подвижность, связанная с движением жидкости, называется
электрогидродинамической
подвижностью. Она составляет m_эгд ~
(10^-7 — 10^-8) м²/(В·c), т.е. на три — четыре порядка меньше подвижности ионов в газах. Оценка для вышеприведенного примера
с диссоциированной примесью дает
s
~10^-9 Cм/м. 

       
Таким образом, в жидкостях обычно проводимость больше, чем в газах и твердых телах за счет облегченной ионизации и затрудненной рекомбинации. 

       С другой стороны, отсутствие формы жидкости, легкость очистки дают возможность уменьшения электропроводности, что невозможно сделать с твердыми диэлектриками. В настоящее время существуют несколько новых технологий очистки жидкостей, например
электродиализ, благодаря которым некоторые жидкости очищали до проводимости, не хуже лучших образцов твердых диэлектриков, типа янтарь,
т.е. до проводимости менее  s
~ 10^-19 Ом·м. 

      
Еще необходимо отдельно рассмотреть электропроводность
электролитов. В энергетике они применяются, в основном, в аккумуляторах. Кроме того, естественные электролиты обеспечивают электропроводность в системах заземления энергетических объектов. Дело в том, что земля имеет преимущественно электролитический характер электропроводности. 

При этом, наиболее важным видом электролитов являются водные электролиты. Вода является самым распространенным жидким веществом, кроме того, она является самым сильным растворителем и самой сильной ионизирующей средой. 

В электролитах заряды появляются в жидкости за счет электролитической диссоциации молекул на ионы. Условно все вещества, растворенные в жидкости и частично диссоциирующие на ионы делят на два типа: сильные электролиты и слабые. Сильные электролиты — вещества полностью диссоциирующие на ионы. Это соли типа NaCl, сильные кислоты типа
HCl. Выше, при рассмотрении проводимости
диэлектрических жидкостей они назывались
ионофорами.  Слабые электролиты — малодиссоциирующие вещества, т.е. они растворяются в виде молекул, только малая часть молекул диссоциирует на ионы. Пример — спирты, органические кислоты (например, уксусная кислота). Число ионов зависит от концентрации растворенных веществ. Подвижность ионов — невелика, обычно она составляет порядка
10^-8 м²/(В·с). 

       
За счет большой растворяющей способности воды, обычно электропроводность влажных сред оказывается достаточно велика, т.к. растворенные вещества зачастую содержат соли, которые сильно диссоциируют. Причиной электропроводности увлажненных диэлектриков является растворение в воде различных примесей
с их последующей диссоциацией на ионы. Поэтому обычно самым большим «врагом» электрической изоляции является вода, попадание которой в диэлектрик ухудшает электрофизические (конкретно
— диэлектрические) характеристики материала.

Электролиты, ионизация и проводимость | Реакции в водном растворе

18.3 Электролиты, ионизация и проводимость (ESAFP)

Вы узнали, что вода — это полярная молекула и что она может растворять ионные вещества в воде. Когда в воде присутствуют ионы, вода может проводить электричество. Раствор известен как электролит.

Электролит

Электролит — это вещество, которое содержит свободные ионы и ведет себя как электропроводящая среда.

Поскольку электролиты обычно состоят из ионов в растворе, они также известны как ионные растворы. Сильный электролит — это тот, в котором много ионов присутствует в растворе, а слабый электролит — это тот, в котором присутствует мало ионов. Сильные электролиты являются хорошими проводниками электричества, а слабые электролиты — слабыми проводниками электричества. Неэлектролиты вообще не проводят электричество. Электропроводность в водных растворах — мера способности воды проводить электрический ток.Чем больше в растворе ионов , тем выше его проводимость. Кроме того, чем больше ионов в растворе, тем сильнее электролит.

Факторы, влияющие на проводимость электролитов (ESAFQ)

Следовательно, на проводимость электролита влияют следующие факторы:

• Концентрация ионов в растворе. Чем выше концентрация ионов в растворе, тем выше будет его проводимость.

• Вещество типа , растворяющееся в воде. Является ли материал сильным электролитом (например, нитрат калия, \ (\ text {KNO} _ {3} \)) или слабым электролитом (например, уксусная кислота, \ (\ text {CH} _ {3} \ text {COOH } \)) или неэлектролит (например, сахар, спирт, масло) будут влиять на проводимость воды, потому что концентрация ионов в растворе будет разной в каждом случае. Сильные электролиты легко образуют ионы, слабые электролиты не образуют легко ионы, а неэлектролиты не образуют ионы в растворе.

• Температура. Чем теплее раствор, тем выше растворимость растворяемого материала и, следовательно, выше проводимость.

Электропроводность

Цель

Для исследования электропроводности различных веществ и растворов.

Аппарат

• Кристаллы твердой соли (\ (\ text {NaCl} \))

• различных жидкостей, таких как дистиллированная вода, водопроводная вода, морская вода, сахар, масло и спирт

• раствора солей e.грамм. \ (\ text {NaCl} \), \ (\ text {KBr} \), \ (\ text {CaCl} _ {2} \), \ (\ text {NH} _ {4} \ text {Cl} \)

• раствор кислоты (например, \ (\ text {HCl} \)) и раствор основания (например, \ (\ text {NaOH} \))

• фонариков

• амперметр

• токопроводящей проволоки, зажимов типа «крокодил» и 2 угольных стержня.

Метод

1. Проведите эксперимент, подключив схему, как показано на схеме ниже. На схеме X обозначает вещество или раствор, которые вы будете тестировать.

2. При использовании твердых кристаллов зажимы типа «крокодил» могут быть прикреплены непосредственно к каждому концу кристалла. Когда вы используете растворы, в жидкость помещают два угольных стержня, и к каждому стержню прикрепляют зажимы.

3. В каждом случае замкните цепь и дайте току течь примерно 30 секунд.

4. Проверить, показывает ли амперметр значение.

Результаты

Запишите свои наблюдения в таблицу, подобную приведенной ниже:

Тестовое вещество	Показания амперметра
	Что вы заметили? Вы можете объяснить эти наблюдения? Выводы Растворы, содержащие свободно движущиеся ионы, могут проводить электричество из-за движения заряженных частиц.Растворы, не содержащие свободно движущихся ионов, не проводят электричество. Помните, что для протекания электричества необходимо движение заряженных частиц, например ионы. В случае твердых кристаллов \ (\ text {NaCl} \) ток электричества не регистрировался амперметром. Хотя твердое тело состоит из ионов, они очень плотно удерживаются вместе внутри кристаллической решетки, и поэтому ток не будет течь. Дистиллированная вода, масло и спирт также не проводят ток, потому что они ковалентные соединения и, следовательно, не содержат ионов.{-} \ text {(aq)} \] Механизмы проводимости и заряжаемости — Электромагнитная геофизика Электрическая и ионная проводимость Проводимость описывает движение электрического заряда из одного места. к другому. Есть два важных носителя электрического заряда, электроны и ионы. Определим проводимость следующим образом: \ [\ sigma = n e \ mu_e, \] где \ (n \) — количество носителей заряда, \ (e \) — переносимый заряд каждым носителем заряда, а \ (\ mu_e \) — подвижность носителей.По этому определению Проводимость горной породы может определяться ее способностью перемещать заряды через электроны и ионы. Это приводит к двум различным типам проводимости: электрической проводимости и ионной проводимости. Обе проводимости связаны со случайным движением частиц под действием приложенное электрическое поле. Однако то, как заряд движется в каждом процессе проводимости, достаточно разный. Электропроводность Носителем заряда для электропроводности является электрон, который определяет проводимость в большинстве металлов, таких как железо и медь.Распределение валентных электронов между металлическими атомами позволяет зарядам свободно перемещаться непосредственно под действием приложенного электрического поля. Ионная проводимость Проводимость в большинстве горных пород является в основном электролитической, имеющей место в связанные поровые пространства, вдоль границ зерен и в трещинах. Проводимость в породах через минеральные зерна или силикатный каркас обычно незначительна [War90]. В этом в случае, носитель заряда в основном состоит из растворенных ионов; поэтому мы используем термин ионная проводимость.-), \] где \ (n \) — количество носителей заряда, \ (e \) — заряд переносится, а \ (\ mu_m \) — подвижность носителей. Здесь верхние индексы + и — обозначают катион и анион соответственно. Поляризация электродов и мембран Заряжаемость материалов Земли по существу является электрохимическим эффектом и может быть вызвано многими факторами, не все из которых полностью изучены. Если земля является платным, он реагирует, как если бы удельное сопротивление было сложной величиной — это ведет себя как негерметичный конденсатор.Следовательно, платежеспособность может быть измеряется различными способами с использованием методов временной или частотной области. Аспекты, влияющие на платежеспособность выборки, включают: Есть две основные причины заряжаемости: «поляризация мембраны» и «Поляризация электрода». В обоих случаях перераспределение зарядов после приложения внешнего постоянного электрического поля занимает некоторое время. Точно так же требуется такое же количество времени, чтобы вернуться к сбалансированному распределению заряда после удаления электрического поля. Электропроводность растворов электролитов Презентация на тему: «Электропроводность растворов электролитов» — стенограмма презентации: 1 Электропроводность растворов электролитов План Слабые электролиты.Сильные электролиты. Электропроводность растворов электролитов. Кондуктометрия. Ассистент Козачок С.С. подготовил 2 Молекулы определенных веществ диссоциируют в растворителе с образованием двух или более частиц. Например: Следовательно, общее количество частиц в растворе увеличивается и, следовательно, коллигативные свойства таких растворов будут большими. Фактор Вант-Гоффа «i» для выражения степени ассоциации или диссоциации растворенных веществ в растворе.Это отношение нормальной и наблюдаемой молярных масс растворенного вещества … В случае ассоциации, когда наблюдаемая молярная масса больше нормы, коэффициент «i» имеет значение меньше 1. Но в случае диссоциации, Van Коэффициент t Hoff больше 1, потому что наблюдаемая молярная масса имеет меньшее значение. 3 В случае растворенных веществ, которые не подвергаются какой-либо ассоциации или диссоциации в растворителе. Фактор Вант-Гоффа «i» будет равен 1, потому что наблюдаемая и нормальная молярные массы будут одинаковыми.Поскольку молярная масса обратно пропорциональна коллигативному свойству, фактор Вант-Гоффа также может быть выражен как: i = наблюдаемое значение коллигативного свойства / нормальное значение коллигативного свойства Включение Вант-Хоффа (i) изменяет уравнение коллигативного свойства. свойства следующим образом: 4 КИСЛОТА Вещество, которое обеспечивает ионы H + в воде Теория Аррениуса КИСЛОТА Вещество, которое обеспечивает ионы H + в воде ОСНОВАНИЕ Вещество, которое обеспечивает ионы OH- в воде. Символ H + на самом деле не отражает структуру иона, присутствующего в водном растворе. .Как голое ядро ​​водорода (протон) без электронов поблизости, H + слишком реактивен, чтобы существовать сам по себе. Скорее, он присоединяется к молекуле воды, давая более стабильный ион гидроксония, h4O +. Иногда для удобства мы будем писать H +, особенно при балансировании уравнений. 5 Основные принципы теории электролитической диссоциации Аррениуса: 1 Основные принципы теории электролитической диссоциации Аррениуса: 1.При растворении в воде соединения диссоциируют на ионы. 2. Этот процесс обратный. 3. Ионы не взаимодействуют между собой. 6 Степень диссоциации Определяется как доля всего вещества, которое подвергается диссоциации на ионы 7 Степень диссоциации зависит от: где m — количество частиц в растворе, i — фактор Вант-Гоффа. Например: электролиты типа AB, такие как KCl, NaCl и т. Д., количество частиц в растворе m = 2 Степень диссоциации зависит от: Концентрации, Температуры, Природы вещества. 8 По степени диссоциации (α) электролиты можно разделить на следующие: сильные электролиты — это соединения, которые в значительной степени (α> 30%) диссоциируют на ионы при растворении в воде. Например, HCl, h3SO4, HNO3, HI, NaOH, KOH, KCl.средне сильные электролиты α =%. h4PO4, h4PO3. слабые электролиты — это соединения, которые диссоциируют лишь в небольшой степени α <2%. Например, Nh5OH, h3S, HCN, h3CO3. неэлектролиты α = 0 - это соединения, которые не диссоциируют при растворении в воде. 10 Теория сильных электролитов Дебая-Хюккеля: Ионы электролитов взаимодействуют между собой согласно закону электростатики. Природа растворителя влияет на взаимодействие между ионами (индуктивность).Диэлектрическая проницаемость растворителя показывает разницу между притяжением иона в растворителе и в вакууме. Центральный ион окружен атмосферой иона. 4. Размер центрального иона подобен точечному заряду. 5. Снижение активной концентрации раствора сильного электролита по сравнению с его общей аналитической концентрацией. а <с 11 Толщина ионной атмосферы уменьшается с увеличением величины заряда, концентрации иона и ионной силы раствора.Общее взаимодействие ионов увеличивается с увеличением концентрации раствора в соответствии с уменьшением среднего расстояния между ионами. Увеличение взаимодействия ионов происходит при уменьшении ионной активности. Электропроводность растворов Электропроводность растворов Чистая вода плохо проводит электричество. Однако когда определенные вещества растворяются в воде, раствор действительно проводит электричество.Вы можно сделать простое устройство, показывающее, насколько хорошо раствор проводит электричество. Это устройство использует лампочку фонарика, чтобы указать, насколько хорошо раствор проводит электричество. Чем лучше раствор проводит электричество, тем ярче лампочка. будет светиться. Тестер проводимости Для изготовления измерителя электропроводности вам потребуется: ● адаптер переменного тока на 12 В Преобразует электричество 110 вольт из розетки в более безопасное 12 вольт.Это должно быть 12 вольт переменного тока, а не постоянного, потому что постоянный ток здесь не работает. У вас может быть в доме подходящий адаптер от старого устройства, которое вы больше не использую, или вы можете получить его в магазине электроники (например, Радио Хижина, каталожный номер 273-1631). ● аудиокабель с монофоническим штекером 1/4 или 1/8 дюйма на одном конце Пробка станет датчиком для проверки проводимости. У вас в доме может быть неиспользованный кабель. То, что находится на другом конце, не имеет значения, потому что оно будет удалено.Ты можешь также приобретите подходящий комплект разъемов и кабелей в магазине электроники (например, Radio Shack, каталожный номер 42-2381). ● a Лампа и патрон для фонарика 12 В Лампа наглядно показывает, как материал хорошо проводит электричество. Вы можете получить их из магазин электроники (например, Radio Shack, каталожные номера 272-1143 для лампочка и 272-357 для патрона). ● a брусок размером 4 на 4 на 1 дюйм Электрические соединения будут выполнены на этом блок, и на него тоже будет крепиться лампа. ● два Шурупы для дерева 1 дюйм Они удерживают патрон лампы на деревянном бруске. ● один Винт с полукруглой головкой 3/4 дюйма и шайба Они будут использоваться для электрического подключения. ● проволока резак и инструмент для снятия изоляции Они используются для подготовки электрических соединений. ● a отвертка Отрежьте вилку от конца шнура адаптера переменного тока.Отдельно о четыре дюйма шнура в его два проводника. Удалите около 1 дюйма изоляция от каждого из проводов. Обрежьте шнур аудиокабеля на расстоянии около 2 футов от вилки. Удалить около четырех дюймов изоляции от обрезанного конца кабеля. Это обнажит многожильный провод, обернутый вокруг изоляции, закрывающей центральный провод. Разверните многожильные провода из изоляции и скрутите жилы вместе, чтобы получился единый пучок.Снимите примерно 1 дюйм внутренней изоляции с центрального провода. Электрические соединения С помощью шурупов прикрепите цоколь (патрон) лампы к деревянному блоку. Ставить шайбу на винт с полукруглой головкой и вкрутить в колодку рядом с лампой основание, но пока не затягивайте винт. Оберните один провод от адаптера переменного тока (неважно какой) вокруг винта. над шайбой. Оберните конец связанного провода от аудиоразъема вокруг тот же винт.Затяните винт, чтобы скрепить два провода вместе. Подсоедините оставшийся провод от адаптера переменного тока к одной из клемм цоколь лампы. Присоедините оставшийся провод от аудиоразъема к другому разъему. цоколя лампы. Вкрутите 12-вольтовую лампу фонарика в цоколь лампы. Чтобы сделать соединения более безопасными, вы можете использовать тяжелый скоба, чтобы прикрепить каждый из двух проводов к деревянной колодке. Теперь тестер проводимости укомплектован и готов к использованию.Чтобы проверить это работает правильно, подключите адаптер переменного тока к розетке переменного тока. Лампа не загорится. Прикоснитесь к аудиоразъему боком к металлическому предмету, например к монете. Когда двое металлические проводники вилки закорочены монетой, лампа будет светиться ярко. Яркое свечение указывает на то, что ток легко течет через кусок металла. Тестирование решения Налейте немного воды в чашку. Вставьте конец аудиоразъема в воду.Если вы используете дистиллированную воду, лампа не будет гореть. Если вы используете водопроводную воду, лампа может тускло светиться или вообще светиться. Если он светится, это означает, что водопроводная вода только плохо проводит электричество. Добавьте в воду немного поваренной соли и перемешайте смесь. Лампа будет ярко светиться, когда вилку опустить в раствор, потому что солевой раствор очень хорошо проводит электричество, почти как металл. Вы можете исследовать различные материалы вокруг вашего дома, чтобы узнать, как хорошо проводят электричество при смешивании с водой.Некоторые вещи, которые стоит попробовать, в помимо соли, сахара, пищевой соды, шампуня, стирального порошка, втирания алкоголь и антациды в таблетках. Все, что растворяется в воде, можно проверить. В во избежание смешивания тестируемых материалов обязательно промойте плагин водой и просушите перед испытанием другого вещества. Не вставляйте вилку в раствора дольше 10-15 секунд, так как это приведет к быстро разъедают. Запишите, какие вещества хорошо проводят электричество, которые плохо проводят, и которые не вообще вести себя. Иногда смеси веществ ведут себя иначе, чем отдельные вещества. В качестве примера проверьте проводимость уксуса. Затем проверьте проводимость прачечного аммиака. Затем влейте в уксус немного нашатырного спирта. и протестируйте смесь. Вы увидите большую разницу между отдельными вещества и смеси! Электрический ток — это поток электрического заряда. Когда металл проводит электричество, заряд переносится электронами, проходящими через металл.Электроны — это субатомные частицы с отрицательным электрическим зарядом. Когда раствор проводит электричество, заряд переносится движущимися ионами. через раствор. Ионы — это атомы или небольшие группы атомов, которые имеют электрический заряд. Некоторые ионы имеют отрицательный заряд, а некоторые — положительный. плата. Чистая вода содержит очень мало ионов, поэтому не проводит электричество очень хорошо. Когда поваренная соль растворяется в воде, раствор очень хорошо проводит, потому что раствор содержит ионы.Ионы поступают из поваренная соль, химическое название которой хлорид натрия. Хлорид натрия содержит ионы натрия, которые имеют положительный заряд, и ионы хлорида, которые имеют отрицательный заряд. Поскольку хлорид натрия состоит из ионов, он называется ионное вещество. Не все вещества состоят из ионов. Некоторые из них являются режимом незаряженные частицы, называемые молекулами. Сахар — такое вещество. Когда сахар растворенный в воде раствор не проводит электричество, потому что есть в растворе нет ионов. Некоторые вещества, состоящие из молекул, образуют растворы, которые действительно проводят электричество. Аммиак — такое вещество. Когда аммиак растворяется в вода, он вступает в реакцию с водой и образует несколько ионов. Вот почему прачечная аммиак, который представляет собой раствор аммиака в воде, проводит электричество, но не отлично. Иногда, когда смешиваются два разных раствора, содержащиеся в них вещества вступают в реакцию друг с другом и образуют ионы. Это то, что происходит при смешивании аммиака и уксуса.Раствор аммиака содержит только мало ионов, и он плохо проводит электричество. Также раствор уксуса содержит всего несколько ионов и проводит очень мало электричества. Но когда эти растворы смешиваются, аммиак реагирует с кислотой в уксусе (уксусная кислота), и они образуют много ионов. Вот почему смесь аммиака и уксуса очень хорошо проводит электричество. Back to Home Experiments Удельная проводимость или электрическая проводимость Удельная проводимость или электрическая проводимость Удельная проводимость или электрическая проводимость ( SC , мкСм / см) раствора легко измерить и очень полезен для проверка параметров водной модели или определение ассоциации константы для новых видов. PHREEQC вычисляет SC решения из концентрации и коэффициента диффузии заряженных частиц и применяет поправку на ионную силу. Результаты, полученные с помощью традиционной ионной ассоциации и модели Питцера, очень хорошо согласуются с измерениями большого количества растворов, охватывающих диапазон проводимости от 10 до 160 000 мкСм / см. На рисунке сравниваются данные, предоставленные P.J. Stuyfzand, с расчетными значениями. Стандартные отклонения составляют 14 и 23 мкСм / см для phreeqc.dat и pitzer.dat, соответственно, для 185 анализов с помощью SC Как правило, для SC , рассчитанные с помощью Pitzer, несколько выше. С помощью коэффициентов Питцера активность растворенных веществ может быть хорошо рассчитана при высоких соленостях, а комплексы обычно не учитываются (хотя физически они могут быть реальными). С другой стороны, для получения правильной активности при высоких концентрациях растворенных веществ с помощью метода Дебая-Хюккеля часто необходимо включать комплексы. Комплексы объединяют катион и анион в менее заряженный объект, в результате чего SC уменьшается.Таким образом, константы устойчивости комплексов могут быть получены путем подбора простых решений SC , в результате чего SC лучше аппроксимируется методом Дебая-Хюккеля. Но следует предостеречь, что молярная проводимость ионов при концентрациях> 1 M изменяется недостаточно изученным образом. Неопределенность, связанная с расчетом комплексов, присутствует при расчете SC смесей и, следовательно, природных вод, особенно когда концентрация SO 4 2- высока. Принцип расчета заключается в том, что молярная проводимость растворенного вещества и его коэффициент диффузии связаны соотношением: где Λ 0 м — молярный проводимость (См / м / (моль / м 3 )), z зарядовое число (-), F — фарадеевское постоянная (кулон / моль), R газовая постоянная (Дж / o K / моль), T абсолютная температура (K), и D w коэффициент диффузии (m 2 / с).Умножение молярной проводимости с концентрацией м и суммированием для всех растворенных веществ, дает оценку удельной электропроводности раствора: SC = Σ (Λ 0 м м ) Проблема только в том, что молярная проводимость изменяется с изменением концентрация. Закон Кольрауша гласит, что эквивалент проводимость уменьшается пропорционально квадратному корню из концентрации: Λ экв = Λ 0 экв — Κ (| z | м ) 0.5 где Κ — постоянная Кольрауша. Мы могли бы использовать Λ eq (= Λ м / | z |) вместо Λ 0 м для расчета SC . В качестве альтернативы мы можем придерживаться с Λ 0 m , но скорректируйте молярную концентрацию с помощью электрохимического коэффициент активности. Конечно, оба метода должны дать одинаковый результат: SC = Σ ((Λ 0 экв — Κ (| z | м ) 0.5 ) | z | м ) знак равно Σ (Λ 0 м γ sc м ) где γ sc — коэффициент активности, который корректирует молярную концентрацию или коэффициент диффузии при электромиграции. До версии 3.3.9 PHREEQC использовался для умножения логарифма коэффициента активности Дебая-Хюккеля на 0,6 / | z | 0.5 для ионная сила I z | и I 0.5 / | z | в противном случае. Более поздние версии используют: где A и B — параметры Дебая-Хюккеля, а a 1 и a 2 находятся из измеренных чисел переноса Cl — и SC бинарных солевых растворов. (Appelo, 2017, Cem. Concr. Res. 101, 102-113). Новое уравнение лучше подходит для соленой воды. Расчеты PHREEQC были проверены с данными из Справочника по химии и физике, в котором перечислены SC для солевых растворов при 20 o C. PHREEQC печатает SC в выходном файле, а специальная переменная BASIC SC предоставляет его в ключевых словах USER_PUNCH или _GRAPH. Результаты рассчитаны с использованием входного файла PHREEQC salt_sc.phr показаны справа. Обратите внимание, что для расчетов требуются коэффициенты диффузии, указанные в разделе SOLUTION_SPECIES в PHREEQC.DAT и PITZER.DAT. Коэффициенты диффузии скорректированы на температуру T (Кельвин) раствора с помощью: ( D w ) T = ( D w ) 298 × exp ( d / T — d /298) 903 ( T 298) × (η 298 / η T ), , где d — коэффициент, а η — вязкость воды. Коэффициенты d , a 1 и a 2 вводятся с параметром -dw в SOLUTION_SPECIES. Свойства и применение меди — электрическая, термическая, коррозионная стойкость, легирование и др. Слово медь происходит от латинского слова «купрум», что означает «руда Кипра». Вот почему химический символ меди — Cu. Медь обладает множеством чрезвычайно полезных свойств, в том числе: хорошая электропроводность хорошая теплопроводность коррозионная стойкость Это также: легко легируется гигиенический легко соединяется пластичный жесткий немагнитный привлекательный перерабатываемый каталитический См. Ниже дополнительную информацию о каждом из этих свойств и о том, какую пользу они приносят нам в повседневной жизни. Хорошая электропроводность Медь имеет лучшую электропроводность из всех металлов, кроме серебра. Хорошая электропроводность — это то же самое, что и небольшое электрическое сопротивление. Электрический ток будет протекать через все металлы, но они все еще имеют некоторое сопротивление, а это означает, что ток должен проталкиваться (батареей), чтобы продолжать течь. Чем больше сопротивление, тем сильнее мы должны толкать (и тем меньше ток). Ток легко протекает через медь благодаря ее небольшому электрическому сопротивлению без больших потерь энергии.Вот почему медные провода используются в сетевых кабелях в домах и под землей (хотя воздушные кабели, как правило, из алюминия, потому что они менее плотные). Однако там, где важен размер, а не вес, медь — лучший выбор. Толстая медная полоса используется для молниеотводов на высоких зданиях, таких как церковные шпили. Медная полоса должна быть толстой, чтобы пропускать большой ток без плавления. Медный провод можно намотать в катушку. Катушка будет создавать магнитное поле и, поскольку она сделана из меди, не расходует много электроэнергии.Медные катушки можно найти в: Устройство Использовать Электромагниты Замки, краны для свалок, звонки электрические. (См. Электромагниты.) Двигатели Насосы, бытовая техника (стиральные машины, посудомоечные машины, холодильники, пылесосы), автомобили (стартеры, дворники, электрические стеклоподъемники), компьютеры (дисководы, вентиляторы), развлекательные системы (DVD-плееры). (См. Электродвигатели.) Динамо Велосипеды, электростанции Трансформаторы Сетевые адаптеры, подстанции, электростанции. (См. Медь и электричество: трансформаторы и сеть.) Как медь проводит Медь — это металл, состоящий из плотно упакованных атомов меди. Если бы мы могли присмотреться, мы бы увидели, что между атомами меди движутся электроны. Каждый атом меди потерял один электрон и стал положительным ионом. Итак, медь представляет собой решетку положительных ионов меди, между которыми движутся свободные электроны. (Электроны немного похожи на частицы газа, которые могут свободно перемещаться по поверхности проволоки). Электроны могут свободно перемещаться по металлу. По этой причине они известны как свободные электроны. Они также известны как электроны проводимости, потому что они помогают меди быть хорошим проводником тепла и электричества. Ионы меди колеблются (см. Рисунок 1). Обратите внимание, что они колеблются примерно в одном и том же месте, тогда как электроны могут перемещаться через решетку. Это очень важно, когда мы подключаем провод к батарее. Рисунок 1. Медная проволока состоит из решетки ионов меди. Есть свободные электроны, которые движутся через эту решетку, как газ. Проводка электричества Мы можем подключить медный провод к батарее и переключателю.Обычно свободные электроны беспорядочно перемещаются в металле. Когда мы замыкаем выключатель, течет электрический ток. Теперь свободные электроны проходят через проволоку (рис. 2), они движутся слева направо (и все еще движутся беспорядочно). Рисунок 2 — Переключение переключателя в приведенной выше схеме заставляет электроны течь слева направо в направлении, противоположном току. Электроны имеют отрицательный заряд. Их привлекает положительный полюс батареи.Свободные электроны движутся через медь, протекая от отрицательной клеммы к положительной клемме батареи (обратите внимание, что они текут в направлении, противоположном обычному току; это потому, что они имеют отрицательный заряд). Ионы меди в проволоке колеблются. Иногда ион преграждает путь движущемуся электрону. Электрон сталкивается с ионом и отскакивает от него. Это замедляет электрон. Часть его энергии была передана иону, который колеблется быстрее. Таким образом, энергия передается от движущихся электронов к ионам меди.Медь нагревается. Это объясняет, почему: Металлы обладают электрическим сопротивлением. Металлы нагреваются при прохождении через них тока. Хорошая теплопроводность Медь — хороший проводник тепла. Это означает, что если вы нагреете один конец куска меди, другой конец быстро достигнет такой же температуры. Большинство металлов являются довольно хорошими проводниками; однако, кроме серебра, лучше всего медь. Металл Относительная проводимость Медь 394 Серебристый 418 Алюминий 238 Нержавеющая сталь 13 Теплопроводность обычных металлов.Когда вы нагреваете одну сторону материала, другая сторона нагревается. Приведенные выше значения являются мерой того, насколько быстро другая сторона становится такой же горячей, как и нагретая. Он используется во многих системах отопления, поскольку не подвержен коррозии и имеет высокую температуру плавления. Единственный другой материал, обладающий такой же устойчивостью к коррозии, — это нержавеющая сталь. Однако его теплопроводность в 30 раз хуже, чем у меди. Приложения Медь позволяет теплу быстро проходить через нее.Поэтому он используется во многих приложениях, где важна быстрая передача тепла. К ним относятся: Устройство Использовать Медная пластина Дно кастрюль. Медные трубы Теплообменники в резервуарах для горячей воды, системах теплого пола, всепогодных футбольных полях и автомобильных радиаторах. Радиаторы Компьютеры, дисководы, телевизоры. Проводя тепло Медь состоит из решетки ионов со свободным электроном (см. Рисунок 1).Ионы колеблются, а электроны могут перемещаться через медь (как газ). На рисунке 3 показано, что происходит, когда один конец куска меди становится более горячим. Ионы меди на горячем конце вибрируют сильнее. Примечание: электроны исключены из изображения, чтобы оно было четким. Рисунок 3 — Левый конец куска меди более горячий. Ионы меди на горячем конце вибрируют сильнее. (Примечание: электроны исключены из изображения, чтобы оно было четким.) На рисунке 4 показаны всего несколько электронов, чтобы увидеть, как они проводят тепло слева направо. Свободный электрон сталкивается с ионом на горячем конце и получает кинетическую энергию (ускоряется). Перемещается к холодному концу. Он сталкивается с «холодным ионом», заставляя ранее холодный ион вибрировать сильнее. Это нагревает холодный конец. Таким образом, энергия передается через медь от горячей к холодной. Рис. 4. Как электроны проводят тепло слева направо (показаны лишь некоторые из них, чтобы их было легче увидеть). Неметаллы проводят тепло Сравните это с тем, как тепло проводится в неметалле. Колеблющиеся частицы передают свои колебания ближайшим соседям. Это намного медленнее. Вот почему металлы являются лучшими проводниками — их свободные электроны могут переносить энергию по своей длине. Коррозионная стойкость Медь с низкой реакционной способностью. Это означает, что он не подвержен коррозии. Это важно при его использовании для труб, электрических кабелей, кастрюль и радиаторов отопления. Это также означает, что он хорошо подходит для декоративного использования. Украшения, статуи и части зданий могут быть сделаны из меди, латуни или бронзы и оставаться привлекательными в течение тысячелетий. Для получения дополнительной информации о преимуществах коррозионной стойкости меди для морских применений см. Ресурс «Медные сплавы в аквакультуре». Сплавы легко Медь легко комбинируется с другими металлами для получения сплавов. Первым произведенным сплавом была медь, плавленная с оловом для образования бронзы — открытие настолько важное, что периоды в истории называют бронзовым веком. Намного позже появилась латунь (медь и цинк), а в современную эпоху — мельхиор (медь и никель). Сплавы тверже, прочнее и жестче, чем чистая медь. Их можно сделать еще более твердыми, ударив по ним молотком — процесс, называемый «наклеп». Дерево медных сплавов показывает варианты добавления других металлов для получения различных сплавов. Ниже приведены некоторые примеры. Нажмите на диаграмму выше, чтобы увидеть увеличенную версию. Медь + олово = оловянная бронза Медь + олово + фосфор = фосфорная бронза Медь + алюминий = алюминиевая бронза Медь + цинк = латунь Медь + олово + цинк = бронза Медь + никель = медно-никель Медь + никель + цинк = нейзильбер. Для получения дополнительной информации см. Ресурс «Медь в чеканке». Вы также можете просмотреть страницы Ассоциации разработчиков меди, посвященные меди и ее сплавам. Гигиенический Медь по своей природе гигиенична, что означает, что она враждебна бактериям, вирусам и грибкам, которые поселяются на ее поверхности. Это свойство видит установку поверхностей из меди и медных сплавов в больницах и других областях, где гигиена является ключевой проблемой. Легко присоединяется Медь легко соединяется пайкой или пайкой.Это полезно для трубопроводов и для изготовления герметичных медных сосудов. Дуктильный Медь — пластичный металл. Это означает, что из него легко могут быть сформированы трубы и вытянуты проволоки. Медные трубы легкие, потому что у них могут быть тонкие стенки. Они не подвержены коррозии, и их можно согнуть, чтобы подогнать углы. Трубы можно соединить пайкой, и они безопасны при пожаре, потому что не горят и не поддерживают горение. Жесткий Медь и медные сплавы прочные.Это означает, что они хорошо подходили для изготовления инструментов и оружия. Представьте себе радость древнего человека, когда он обнаружил, что его тщательно сформированные наконечники стрел больше не разбиваются при ударе. Свойство ударной вязкости жизненно важно для меди и медных сплавов в современном мире. Они не разбиваются при падении и не становятся хрупкими при охлаждении ниже 0 ° C. Немагнитный Медь немагнитна и не искрит. Из-за этого он используется в специальных инструментах и ​​военном оборудовании. Привлекательный цвет Медь и ее сплавы, такие как латунь, используются для изготовления ювелирных изделий и украшений. Они имеют привлекательный золотистый цвет, который зависит от содержания меди. Они обладают хорошей устойчивостью к потускнению, что делает их долговечными. Вторичная переработка Медь может быть переработана без потери качества. Около 40% потребностей Европы удовлетворяется за счет вторичной меди. Для получения дополнительной информации см. Ресурс «Вторичная переработка меди и устойчивое развитие». Каталитический Медь может действовать как катализатор, то есть вещество, которое может ускорить химическую реакцию и повысить ее эффективность. Это достигается за счет снижения энергии активации. Катализаторы биологических реакций называются ферментами. Медь ускоряет реакцию между цинком и разбавленной серной кислотой. Он содержится в некоторых ферментах, один из которых участвует в дыхании. Это действительно жизненно важный элемент! . alexxlab Посмотреть все записи автора alexxlab → Вам также может понравиться Антенна lte своими руками: чертежи, характеристики и порядок изготовления 02.04.202113.11.2020 Сколько стоит подключить свет от столба к дому: Подключение электричества к частному дому в 2022 году: как подключить? 19.09.197104.01.2022 Автоматы электрические разновидности: Электрические автоматы виды и назначение характеристики 16.06.202117.11.2020 Добавить комментарий Отменить ответ Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены * Комментарий * Имя * Email * Сайт