Электрический ток в средах: Электрический ток в различных средах

Содержание

Электрический ток в различных средах

• Электрический ток в растворах и
расплавах.
• Электрический ток в вакууме.
• Электрический ток в газах.
• Электрический ток в полупроводниках.
• Электролиты – вещества, растворы и расплавы
которых проводят электрический ток ( соли, кислоты,
щелочи).
• Электролитической диссоциацией называется
расщепление молекул электролита на положительные и отрицательные ионы под действием растворителя.
• Степень диссоциации – отношение количества
молекул, диссоциировавших на ионы, к общему
количеству молекул данного вещества.
+

+
Н2О
NaCl
+
+
+
— Na

н2о

+ +
+
+
+
+

+

+
Cl

Электролитическая диссоциация в растворе NaCl
в растворе CuCl2
катод
+

анод +
+
+
— +
+
-Cl
+ Cu +
CuCl2
CuCl2
Cu2+ + 2Cl—
электролиз

Cu2+ + 2e- = Cu
2Сl- — 2e = Cl2

— катод
анод
• Электролиз – выделение на электродах веществ, входящих в
состав электролита, при протекании через его раствор (или
расплав) электрического тока.
( У.Никольсон и А. Карлейль, 1800г. Англия.)
Закон электролиза – масса вещества, выделившегося на
электроде, прямо пропорцио-нальна силе тока и времени
прохождения тока через электролит.
( М.Фарадей. 1883г.
Англия)
m=kIt
где m — масса,
выделившегося
вещества;
I — сила тока;
t — время.
K –электрохимический эквивалент
данного вещества
1
K=
e n
где М – молярная масса
вещества;
n –концентрация ионов;
е – заряд иона;
Na – число Авогадро.
Гальваностегия –
декоративное или
антикоррозийное
покрытие
металлических
изделий тонким
слоем другого
металла
(хромирование,
омеднение и т.д.)
Гальванопла
стика –
электролитич
еское
изготовление
металлическ
их копий,
рельефных
предметов.
Электроме
таллургия
– получение
чистых
металлов
при
электролизе
расплавлен
ных руд.

Рафинирование металлов – очистка металлов от
примесей с помощью электролиза.
НАЗАД
• Вакуум — пространство, в котором отсутствуют частицы
вещества.
• Термоэлектронной эмиссией называется процесс
вылета электронов с поверхности разогретого металла.
При повышении температуры
металла увеличивается
-+
кинетическая энергия теплового
+
движения электронов.
+
— +
Некоторые из них могут
— +
оторваться от ядра атома и
+
покинуть поверхность металла.
+
Явление открыто Эдисоном в
+ — 0
1883 году.

+
t
• Вакуумный диод – стеклянная лампа, во внутрь
которой введены два электрода.
анод
катод
Диод с катодом
косвенного накала
анод
катод
Диод с катодом
прямого накала
Катодом лампы служит проволока (нить) из
тугоплавкого металла (вольфрам, молибден и пр.),
накаливаемая электрическим током.
Анод чаще всего имеет форму металлического
цилиндра, окружающего накаливаемый катод.
• Вольт-амперная характеристика вакуумного диода –
графическое изображение зависимости силы тока от
напряжения между электродами.
I
А
I

V
I0
Схема включения
вакуумного диода
в цепь.
Ток, возникающий в
результате
термоэлектронной
эмиссии называется
термоэлектронным.
U3 0
U
U3 — Запирающее напряжение,
при котором I =0
Iн — ток насыщения, т.е. все
вылетевшие с катода
электроны достигают анода.
I0 — начальный ток при U =0
обусловлен хаотичным
движением электронов.
Электронные лампы в
радиосхемах для
усиления электрических
сигналов и переменных
токов.
Электронно-лучевые
трубки в кинескопах
НАЗАД
Процесс протекания электрического тока через газ
называют газовым разрядом.
При обычных условиях газы почти полностью состоят из
нейтральных молекул или атомов, следовательно,
являются диэлектриками.
Ионизация – процесс распада молекул газа на
положительные ионы и электроны под воздействием
рентгеновского или теплового излучения.
Электрометр заряжен.
Тока нет.
Электрометр разрядился.
Произошёл газовый разряд.


-ион

+
+

Нейтральный
атом газа

+
+
+ион
электрон
+

+ион
+
+
+
-ион
Вольт-амперная
характеристика
I
A
V


0
+ U
Под действием ионизатора в стеклянном
баллоне с газом возникают заряженные
частицы: электроны, + ионы и –ионы. При
подаче напряжения на электроды возникает
газовый разряд. С увеличением напряжения
увеличивается ток и достигает насыщения.
Если действие ионизатора прекратить, то
прекратится и разряд.
При дальнейшем увеличении напряжения
вдруг сила ток снова резко возрастает.
Появляются новые носители заряда путем
ионизации электронным ударом
-e
I
-e
-e
-e
+
+
U
Ускоренный высоким напряжением
электрон сталкивается на своём пути с
нейтральным атомом и выбивает из него
ещё электрон.
Вследствие этого число
электронов резко возрастает, возникает
электронная лавина.

15. Плазменное состояние вещества

— это частично или полностью ионизованный газ,
характеризующийся практически одинаковой
плотностью положительных и отрицательных зарядов.
• В состоянии плазмы находится большая часть
вещества Вселенной. Плазму с температурой t

газовых разрядов, пламя, верхние слои атмосферы
Земли, звёздные атмосферы, межзвездная среда и
галактические туманности), а плазму с температурой t
> 1000000 C – горячей или высокотемпературной
(она существует в недрах Солнца и других звезд).
В то время как горячая плазма стала предметом
интенсивного изучения лишь во второй половине XX в.,
низкотемпературная плазма (в виде обычного огня)
находится в центре внимания философов уже 2,5 тыс.лет. С
тех пор на протяжении нескольких столетий она
рассматривалась учеными в качестве одного из четырех
элементов нашего мира. «Пламя, — писал Р.Бойль, — самое
горячее тело, какое мы знаем, состоит из частиц,
колеблющихся столь бурно, что они постоянно и быстро
летают повсюду стаями и рассеивают или разрушают все
горючие тела, какие они встречают на своем пути».
Плазму и сейчас нередко называют четвертым состоянием
вещества. В отличие от обычного (не ионизованного) газа
между ее частицами существует значительное
взаимодействие, обусловленное наличием у них
электрических зарядов. Благодаря этому взаимодействию,
характер движения частиц в плазме резко отличается от
того, что свойствен нейтральным молекулам газа.
Полупроводниками называются вещества, удельное
сопротивление которых зависит от определенных внешних
условий: температуры или состава вещества. Это ряд
элементов (Si, Ge, Se) или соединений (PbS, CdS).
электроны
Si
e
Si
Т
При низких
t0
e
Si
п/п — диэлектрик.
e
+
Si
e
e
e
e
e e
e e
Si
e
Si
«дырки»
e
+
e
+
Si
e
e
Si
При нагревании
появляются свободные
носители заряда.
+
+
+
+
+
+

+
• Собственная проводимость
полупроводников
обусловлена движением
электронов и «дырок»
Электронная
проводимость
+
Дырочная
проводимость
e
e
e e
e e
Si
При добавлении к 4-х валентному
элементу 5-и валентного
(например, мышьяка)
увеличивается число свободных
Si
электронов.
e
e
e
As
N — типа
+
In
При добавлении элемента с
меньшей валентностью
увеличивается число «дырок.»
e
e
e e
e e
Si
e
e
Si
P — типа
I
N
P
A
V
U
Вольт-амперная характеристика
п/п диода
Контакт двух полупроводников разной проводимости
называется P-N переход или полупроводниковый диод.
Он обладает односторонней проводимостью и
используется для выпрямления переменного тока.
Обозначение п/п диода на схемах

21. Обобщенная таблица по теме «Электрический ток в разных средах».

среды
Расплавы
и
растворы
Вакуум
Газы
Полупроводни
ки
Название
и определение
процесса
Свободные
заряженные
частицы
Закон или
формулы
к
процессу
Вольтамперная
характери
стика
Принципи
альная
схема
Примене
ние

Главное по теме «Электрический ток в разных средах» | Физика. Закон, формула, лекция, шпаргалка, шпора, доклад, ГДЗ, решебник, конспект, кратко

Свободными носителями зарядов, которые могут создавать ток в металлах, являются свободные электроны.


При возникновении электрического тока в металлическом про­воднике скорость направленного движения свободных электро­нов, образующих ток, во много раз меньше скорости их хаотического движения.


Сопротивление металлических проводников с повышением их температуры возрастает; при снижении температуры некоторых металлических проводников (с приближением к абсолютному нулю) наблюдается явление сверхпроводимости.


В вакууме электрический ток могут создавать электроны, обра­зующиеся с помощью какого-нибудь вида эмиссии (термоэлект­ронной, фотоэлектронной, автоэлектронной).


В электролитах свободными носителями заряда, создающими ток, являются ионы обоих знаков, которые образуются вслед­ствие электролитической диссоциации — распада молекул на ионы под действием растворителей или высоких температур.


В газах свободными носителями заряда, которые могут обра­зовать ток, являются свободные электроны и ионы обоих зна­ков. Тем не менее, ионы здесь образуются не так, как в элект­ролитах. Материал с сайта http://worldofschool.ru


В газах при различных условиях наблюдаются несамостоятельные и самостоятельныеразряды.

На этой странице материал по темам:
  • Сообщение по физике на тему электрический тое в разнвх средах

  • Шпаргалки по физике на тему электрический ток в различных средах

  • Конспект электрический ток в различных средах

  • Шпаргалка электрический ток в различных средах

  • Электрический ток в различных средах шпаргалка

Тема урока «Электрический ток в различных средах»

Цель урока:

Обобщить и систематизировать знания учащихся об электрическом токе в различных средах путем анализа опытов, демонстрирующих проводимость в различных средах, выявить природу носителей зарядов в средах, сравнить зависимости сопротивления различных сред от температуры, сопоставить вольтамперные характеристики приборов.

Применять знания об основных положениях электродинамики для объяснения электропроводимости различных сред.

Оборудование:

  1. вольтметр, амперметр, выпрямитель, лампочка,
  2. таблицы:
    “Электрический ток в вакууме”,
    “Электрический ток в полупроводниках”.

Обобщение знаний:

  1. Опыты, демонстрирующие электропроводимость различных сред.
  2. Носители электрических зарядов в различных средах.
  3. Вольтамперные характеристики приборов.
  4. Зависимость сопротивления металлов, электролитов, газов и полупроводников от температуры.
  5. Практическое применение тока в различных средах.
  6. Задание на дом.

Сегодня на уроке мы с вами вспомним закономерности прохождения тока в различных средах, сравним физическую природу тока в них и механизм образования свободных носителей тока.

На столе у каждого ученика лежит заготовленная таблица, которую необходимо заполнить во время урока. (Приложение 1.)

Вспомним, какие опыты помогли установить электропроводность металлов – Мандельштама и Папалекси. (Ученики поясняют схему постановки опыта, учитель на доске рисует эту схему.)


Рис.1

Какие опыты мы проводили, чтобы показать электропроводимость жидкостей и газов?

(Ученики поясняют схемы соответствующих опытов, учитель делает зарисовки схем опытов, учащиеся аналогичную работу проводят в тетрадях.)


Рис.2

Далее разбираем опыт с вакуумным диодом.

(Ученик поясняет опыт, учитель чертит схему.)

(Полупроводники от металлов можно отличить по характеру зависимости их проводимости от температуры. Если температура полупроводника повышается, то его сопротивление уменьшается. Если собрать цепь из источника тока, полупроводникового терморезистора и амперметра, то можно заметить, что показания амперметра будут увеличиваться при нагревании терморезистора. )

Итак, носители зарядов в различных средах:

(В металлах свободными носителями зарядов являются свободные электроны, в жидкостях – положительные и отрицательные ионы, в газах – ионы и электроны, в полупроводниках – электроны и дырки (или свободные и связанные электроны).)

Какова концентрация свободных носителей зарядов в разных средах? От чего она зависит?

(В металлах концентрация электронов 1022 – 1023см-3 остается почти постоянной при разных температуpax, в жидкостях концентрация ионов зависит от содержания в водном растворе кислот, солей и щелочей, т. е. от концентрации самих растворов. В газах концентрация ионов и электронов определяется свойствами самого ионизатора. В вакууме концентрация электронов в электронном облаке повышается при увеличении температуры нити накала и, кроме того, в значительной мере зависит от оксидного покрытия катода.

В полупроводниках концентрация носителей определяется наличием примесей, создающих преимущественно электронную или дырочную проводимость, и зависит от температуры и освещенности полупроводника. )

Далее вычерчиваем вольтамперные характеристики для металлов, жидких проводников; сравниваем их.

Задаю ряд дополнительные вопросы:

1. Почему в отличие от металлического проводника характеристика диода нелинейная?

2. Когда наступает явление насыщения тока? От чего зависит сила тока насыщения?

Итак, мы убедились, что изучение вольтамперных характеристик позволяет сделать важные выводы о прохождении тока в различных средах.

Можно ли по виду вольтамперных характеристик сделать какие-либо выводы о сопротивлениях сред? Обратите внимание: одни характеристики являются линейными, другие – нет.

(Вольтамперные характеристики для металлов и электролитов показывают прямую пропорциональную зависимость силы тока от напряжения, потому что сопротивление проводников постоянно. Нелинейность других характеристик показывает, что сопротивление изменяется.)

Какова зависимость сопротивления сред от температуры? От каких факторов зависит сопротивление?

(Ученики отвечают. У металлов и жидкостей сопротивление при постоянной температуре не изменяется с ростом напряжения; кроме того, оно прямо пропорционально длине проводника, удельному сопротивлению и обратно пропорционально поперечному сечению. Различие в том, что сопротивление металлов с повышением температуры увеличивается, а у жидкостей, наоборот, уменьшается.)

(На демонстрационном столе собрана электрическая цепь, состоящая из выпрямителя, амперметра, вольтметра и электрической лампы: 10 Вт, 220 В)

Измеряем напряжение на выходе выпрямителя, учащиеся следят за показаниями приборов. Показания приборов (значения силы тока и напряжения) записываются в таблицу

U,В 0 1 7 20 38 58 90
I,А 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2

Как можно объяснить такую зависимость?

(Так как при увеличении напряжения и силы тока растет температура нити накала лампы и сопротивление ее увеличивается, то зависимость силы тока от напряжения нелинейная.

Учащиеся рассказывают об использовании металлических проводников, о технических применениях электролиза и различных типов газового разряда, поясняют устройства вакуумного диода и электроннолучевой трубки, приводят примеры полупроводниковых приборов. Во время рассказа учащиеся используют учебные таблицы.)

Мы еще раз убедились, что объяснить эти явления можно с точки зрения электронной теории. Мы упоминали о таком явлении, которое нельзя объяснить классической электронной теорией. Напомните это явление.

(Это явление сверхпроводимости.)

Обратимся еще раз к таблице. (Приложение 2) В верхней строчке ее отражены опыты, с помощью которых мы выяснили природу свободных носителей электрических зарядов. Затем мы рассматривали основные положения электронной теории, объясняющие причины возникновения носителей зарядов, а также вольтамперные характеристики. Далее выяснили, от чего зависят сопротивления сред. Завершили тему изучением вопросов о техническом применении электрического тока в различных средах. Приборы, технические устройства и другие примеры практического применения тока в различных средах основаны на использовании выводов и следствий электронной теории. Таким образом, экспериментально подтверждается истинность теоретических следствий, а следовательно, и самой теории.

Заключение:

После повторения всех вопросов плана и заполнения таблицы учащиеся еще раз просматривают материал и делают вывод о том, в какой последовательности развивались научные знания об электрическом токе в различных средах.

Для развития познавательной активности школьников проводится демонстрационный эксперимент. По его результатам строится график зависимости силы тока от напряжения. Учащиеся сравнивают полученную характеристику тока, проходящего через лампу накаливания, с другими, рассмотренными ранее.

Задание на дом: Итоги гл. 10, стр.200

Литература:

  1. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б. Физика: Учеб. Для 10 кл. сред. шк.– 3-е изд.-М.; Просвещение,1994.
  2. П.И. Самойленко, Е.И. Огородникова, Г.И. Рябоволов. – М.; “Высшая школа”, 1984.
  3. Современный урок физики в средней школе/ В.Г. Разумовский, Л.С. Хижнякова, А.И. Архипова и др. – М.; Просвещение,1983.

Урок 14. электрический ток. источники электрического тока. гальванические элементы. аккумуляторы. электрический ток в различных средах. примеры действия электрического тока — Физика — 8 класс

Конспект урока

Урок в 8 классе по теме: «Электрический ток. Источники электрического тока. Гальванические элементы. Аккумуляторы. Электрический ток в различных средах. Примеры действия электрического тока»

Тип урока – урок открытия нового знания.

Цели:

— сформировать у учащихся умения реализации новых способов действия;
— ввести понятие электрический ток;
— рассмотреть источники электрического тока и их ;
— описать электрический ток в металлах, электролитах, газах;
— рассмотреть действия электрического тока;
— развивать логическое мышление, воспитывать интерес к физике

Формирование УУД (универсальных учебных действий):

Познавательные УУД:

— поиск и выделение новой информации по теме;
— нахождение ответов на вопросы, используя свой жизненный опыт и информацию, полученную на уроке;
— построение логической цепи рассуждений;
— умение переносить и применять знания по данной теме в новых условиях;

Регулятивные УУД:

— умение ориентироваться в своей системе знаний;
— оценивать правильность выполнения действия;
— умение корректировать действие после его завершения;
— высказывать свое предположение;
— развитие контроля и самоконтроля;

Коммуникативные УУД:

— умение оформлять свои мысли в письменной форме;

Личностные УУД:

— способность к самооценке на основе критерия успешности учебной деятельности;
— развитие логического мышления;
— развитие памяти, наблюдательности, внимания;
— расширение кругозора учащихся.

Планируемые результаты:

предметные

— формирование умения наблюдать, описывать и объяснять физические явления, связанные с прохождением тока по проводнику.

личностные

— формирование целостной картины мира;
— развитие самостоятельности и личной ответственности за свои поступки; в том числе в информационной деятельности;

метапредметные

— овладение способностью принимать и сохранять цели и задачи учебной деятельности, поиска средств ее осуществления;
— освоение способов решения проблем творческого и поискового характера;
— овладение логическими действиями сравнения, анализа, синтеза, обобщения, классификации по родовидовым признакам, установления аналогий и причинно-следственных связей, построения рассуждений, отнесения к известным понятиям;
— овладение базовыми предметными и межпредметными понятиями, отражающими существенные связи и отношения между объектами и процессами.
— Организационный этап

Мотивационный модуль

Выполняется упражнение на соответствие картинки и надписей и формулируется тема урока.

— Объяснение нового материала

Объясняющий модуль

— Закрепление нового материала.

Тренировочный модуль

Выполнение упражнений для закрепления нового материала.

— Контроль навыков

Контрольный модуль

Выполнение упражнений для контроля понимания нового материала.

Демонстрация в виртуальной реальности — Электрический ток в различных средах

array(33) { [«ID»]=> string(2) «55» [«CODE»]=> string(11) «electricity» [«NAME»]=> string(142) «Демонстрация в виртуальной реальности — Электрический ток в различных средах» [«PREVIEW_PICTURE»]=> string(3) «887» [«PREVIEW_TEXT»]=> string(444) «

Визуализация процесса распространения электрического тока в различных средах: металлический проводник, жидкость, ионизированный газ. 

Совместный проект с IT-школой Samsung (Российским R&D подразделением компании Samsung Electronics).

» [«DETAIL_PICTURE»]=> string(3) «202» [«DETAIL_TEXT»]=> string(1275) «

Мобильное приложение для шлема виртуальной реальности Samsung GearVR. Интерактивное средство для демонстрации внутренних электрических процессов, происходящих при распространении электрического тока в различных средах.

Текущее состояние

Законченный продукт.

Содержимое

Приложение «Электрический ток» наглядно демонстрирует в виртуальной реальности, с возможностью кругового обзора, процессы распространения электрического тока в различных физических веществах (проводниках) — жидкость, металл и газ. Приложение позволяет просматривать изнутри (на молекулярном уровне), как влияет электрический ток поведение электронов и других заряженных частиц в веществе.

» [«IBLOCK_SECTION_ID»]=> string(2) «15» [«PROPERTY_ADD_TEXT_VALUE»]=> bool(false) [«PROPERTY_ADD_TEXT_VALUE_ID»]=> string(5) «55:10» [«PROPERTY_VIDEO_VALUE»]=> string(41) «https://www.youtube.com/embed/q-08HxpM_iY» [«PROPERTY_VIDEO_VALUE_ID»]=> string(4) «55:7» [«PROPERTY_TECH_VALUE»]=> array(4) { [14]=> string(17) «3D-контент» [15]=> string(20) «Интерактив» [16]=> string(31) «Трекинг движений» [17]=> string(43) «Виртуальная реальность» } [«PROPERTY_APP_STORE_VALUE»]=> NULL [«PROPERTY_APP_STORE_VALUE_ID»]=> string(4) «55:5» [«PROPERTY_GOOGLE_PLAY_VALUE»]=> NULL [«PROPERTY_GOOGLE_PLAY_VALUE_ID»]=> string(4) «55:6» [«PROPERTY_MARKERS_VALUE»]=> NULL [«PROPERTY_MARKERS_VALUE_ID»]=> string(5) «55:11» [«PROPERTY_OCULUS_STORE_VALUE»]=> NULL [«PROPERTY_OCULUS_STORE_VALUE_ID»]=> string(5) «55:37» [«PROPERTY_GALLERY_VALUE»]=> array(6) { [0]=> string(3) «203» [1]=> string(3) «204» [2]=> string(3) «205» [3]=> string(3) «206» [4]=> string(3) «207» [5]=> string(3) «208» } [«PROPERTY_MAIN_NAME_VALUE»]=> string(40) «VR «Электрический ток»» [«PROPERTY_MAIN_NAME_VALUE_ID»]=> string(5) «55:72» [«PROPERTY_ALL_LINK_VALUE»]=> array(0) { } [«PROPERTY_ALL_LINK_DESCRIPTION»]=> array(0) { } [«DETAIL_TEXT_TYPE»]=> string(4) «html» [«PREVIEW_TEXT_TYPE»]=> string(4) «html» [«PROPERTY_TECH_DESCRIPTION»]=> array(4) { [0]=> NULL [1]=> NULL [2]=> NULL [3]=> NULL } [«PROPERTY_TECH_PROPERTY_VALUE_ID»]=> array(4) { [0]=> string(3) «737» [1]=> string(3) «738» [2]=> string(3) «739» [3]=> string(3) «740» } [«PROPERTY_GALLERY_DESCRIPTION»]=> array(6) { [0]=> NULL [1]=> NULL [2]=> NULL [3]=> NULL [4]=> NULL [5]=> NULL } [«PROPERTY_GALLERY_PROPERTY_VALUE_ID»]=> array(6) { [0]=> string(3) «173» [1]=> string(3) «174» [2]=> string(3) «175» [3]=> string(3) «176» [4]=> string(3) «177» [5]=> string(3) «178» } [«PROPERTY_ALL_LINK_PROPERTY_VALUE_ID»]=> array(0) { } }

Примеры решения задач по теме «Электрический ток в различных средах»

Примеры решения задач по теме «Электрический ток в различных средах»

Подробности
Просмотров: 714

«Физика — 10 класс»

Наиболее просты количественные закономерности для электрического тока в металлах и электролитах.

Задачи на закон Ома, который выполняется для этих проводников, были приведены в главе 15. В данной главе преимущественно рассматриваются задачи на применение закона электролиза. Кроме того, при решении некоторых задач надо использовать формулу (16.1) для зависимости сопротивления металлических проводников от температуры.

Задача 1.

Проводящая сфера радиусом R = 5 см помещена в электролитическую ванну, наполненную раствором медного купороса. Насколько увеличится масса сферы, если отложение меди длится t — 30 мин, а электрический заряд, поступающий на каждый квадратный сантиметр поверхности сферы за 1 с, q = 0,01 Кл? Молярная масса меди М = 0,0635 кг/моль.

Р е ш е н и е.

Площадь поверхности сферы S = 4πR2 = 314 см2. Следовательно, заряд, перенесённый ионами за t = 30 мин = 1800 с, равен Δq = qSt = 0,01 Кл/(см2 • с) • 314 см2 • 1800 с = 5652 Кл. Масса выделившейся меди равна:

Задача 2.

При электролизе, длившемся в течение одного часа, сила тока была равна 5 А. Чему равна температура выделившегося атомарного водорода, если при давлении, равном 105 Па, его объём равен 1,5 л? Электрохимическии эквивалент водорода

Р е ш е н и е.

По закону Фарадея масса m выделившегося водорода:

m = kIt.         (1)

Из уравнения Менделеева—Клапейрона где R — универсальная газовая постоянная, М — молярная масса атомарного водорода, определим массу водорода, полученного при электролизе:

Из выражений (1) и (2) определим температуру:

Задача 3.

При никелировании изделия в течение 1 ч отложился слой никеля толщиной l = 0,01 мм. Определите плотность тока, если молярная масса никеля М = 0,0587 кг/моль, валентность n = 2, плотность никеля

Р е ш е н и е.

Согласно закону электролиза Фарадея масса выделившегося на катоде никеля

где m = ρV = ρlS, а I = jS, где S — площадь покрытия никелем; F — постоянная Фарадея, Подставив выражения для массы никеля и силы тока I в формулу (1), получим откуда

Задача 4.

Определите электрическую энергию, затраченную на получение серебра массой 200 г, если КПД установки 80%, а электролиз проводят при напряжении 20 В. Электрохимический эквивалент серебра равен

Р е ш е н и е.

Энергия, идущая только на электролиз, равна:

W’э = qU.         (1)

Согласно закону Фарадея m = kq, откуда

Подставив выражение для q в формулу (1), получим

Полная затраченная энергия Wэ связана с W’э выражением следовательно,

Задача 5.

Объясните, почему при дуговом разряде при увеличении силы тока напряжение уменьшается.

Р е ш е н и е.

При увеличении силы тока возрастает термоэлектронная эмиссия с катода, носителей заряда становится больше, а следовательно, сопротивление промежутка между электродами уменьшается. При этом уменьшение сопротивления происходит быстрее, чем увеличение силы тока (в газах нарушается линейный закон Ома U = IR), поэтому напряжение уменьшается.

Задача 6.

Покажите, что при упругом столкновении электрона с молекулой электрон передаёт ей меньшую энергию, чем при абсолютно неупругом ударе.

Р е ш е н и е.

При прямом абсолютно упругом столкновении электрона с молекулой выполняются законы сохранения энергии и импульса:

где me и m — массы электрона и молекулы; υ1 и υ2 — их скорости после столкновения. Решая эту систему относительно υ1 и υ2, получаем

Энергия, передаваемая молекуле, Так как me << m, то можно записать, что (me + m)2 ≈ m2. Тогда

Из полученного выражения следует, что молекуле передаётся очень маленькая часть первоначальной энергии электрона, так как me << m.

При неупругом столкновении выполняется только закон сохранения импульса meυ0 = (m + me)υ, и, таким образом, электрон теряет энергию

Так как me << m, мы можем считать, что дробь в скобках равна нулю, откуда т. е. при неупругом столкновении электрон полностью передаёт свою энергию молекуле.

Источник: «Физика — 10 класс», 2014, учебник Мякишев, Буховцев, Сотский



Электрический ток в различных средах — Физика, учебник для 10 класса — Класс!ная физика

Электрическая проводимость различных веществ. Электронная проводимость металлов — Зависимость сопротивления проводника от температуры. Сверхпроводимость — Электрический ток в полупроводниках. Собственная и примесная проводимости — Электрический ток через контакт полупроводников с разным типом проводимости. Транзисторы — Электрический ток в вакууме. Электронно-лучевая трубка — Электрический ток в жидкостях. Закон электролиза — Электрический ток в газах. Несамостоятельный и самостоятельный разряды — Плазма — Примеры решения задач по теме «Электрический ток в различных средах»

Электрический ток в различных средах

 

РЕФЕРАТ

 

 

На тему: Электрический ток в  различных средах.

 

 

                

 

                

 

                 

 

 

                                                                  

                                                                  

 

 

 

 

 

Карпов

Георгий

Викторович 
Содержание

стр.

Введение 3

1. Электрический ток в металлах

1.1. Электрическая проводимость металлов 4

1.2. Электрическая сверхпроводимость металлов 5

2. Электрический ток в электролита

2.1. Явление  электролиза 7

2.2. Законы  электролиза Фарадея 9

3. Электрический ток в газах

3.1. Ионизация газов. Газовый разряд 13

3.2. Электрическая дуга и электрическая искра 15

3.3. Электрический  ток в разрежённых газах.

Катодные лучи 16

Список литературы 20

Приложение 21

 

Введение.

Электрическим током называют упорядоченное  движение электрических зарядов. Электрический ток может возникнуть и существовать в данной среде при следующих условиях: 1) если в неё имеются свободные электрические заряды, т.е. среда является проводником; 2) если в ней создано электрическое поле.

Характер  электропроводимости вещества зависит  от природы свободных зарядов.

В металлах, или так называемых проводниках первого рода, свободными зарядами являются электроны, которые сорвались с внешних оболочек части атомов металла, превратив в их в положительные ионы.

В жидких растворах, или электролитах, называемых проводниками второго рода, свободными зарядами являются положительные и отрицательные ионы. К электролитам относятся, например, водные растворы солей, кислот и щелочей. Молекулы этих веществ в воде расщепляются на ионы. Ионами называются заряженные частицы, которые представляют собой атомы или группы атомов, потерявшие часть своих электронов или присоединившие к себе лишние электроны.

Газы  являются проводниками третьего рода, они обладают ионно-электронной проводимостью. Газ становится проводником, когда он ионизирован, т.е. когда часть его молекул под влиянием внешних воздействий теряет электроны и в газе возникают положительные ионы и электроны.

 

1. Электрический ток в металлах.

1.1. Электрическая  проводимость металлов.

В начале ХХ века немецким физиком П. Друде (1863-1906) была создана классическая электронная теория проводимости металлов, получившая дальнейшее развитие в работах голландского физика-теоретика Г.А. Лоренца (1853-1928). Её основные положения заключаются в следующем.

С точки  зрения электронной теории высокая  электрическая проводимость в металлах (электропроводимость металлов) объясняется  наличием огромного числа носителей  тока – электронов проводимости, перемещающихся по всему объёму проводника. П. Друде  предложил, что электроны проводимости в металле можно рассматривать  как электронный газ, обладающий свойствами идеального одноатомного газа. При своём движении электроны  проводимости сталкиваются с ионами кристаллической решётки металла.

Тепловое движение электронов вследствие своей хаотичности не может привести к возникновению электрического тока.

Под действием  внешнего электрического поля в металлическом  проводнике возникает упорядоченное  движение электронов, т.е. возникает электрический ток.

Средняя скорость упорядоченного движения электронов, обуславливающая наличие электрического тока в проводнике, чрезвычайно мала по сравнению со средней скоростью  их теплового движения при обычных  температурах. Небольшое значение средней  скорости объясняется весьма частыми  столкновениями электронов с ионами кристаллической решётки.

Экспериментальное обоснование  классической электронной теории. В опытах, выполненных Н.Л. Мандельштамом и Н.Д. Палалекси, а также Стюартом и Толменом, было экспериментально подтверждено, что проводимость металлов обусловлена движением свободных электронов. На катушку был намотан медный проводник, присоединённый к баллистическому гальванометру. Катушку приводили в быстрое вращение, а затем резко останавливали. В момент торможения гальванометр показывал кратковременный ток, направление которого свидетельствовало, что он создаётся движением отрицательно заряженных частиц. Эти частицы, были свободными, при торможении кристаллической решётки, массы движутся по инерции и создают ток. Определяя с помощью манометра заряд, проходящий через него за всё время существования тока в цепи. Стюарт и Толмен нашли удельный заряд носителей тока в металле, т.е. отношение заряда частиц к массе. Он равный 1,8 · 10 Кл/кг. Это отношение в пределах ошибки совпадает со значением е/т для электронов, которое было найдено по отклонению пучка электронов в магнитном поле. Таким образом, электрический ток в металлах представляет собою упорядоченное, направленное движение свободных электронов, которое накладывается на их беспорядоченное тепловое движение при включении электрического поля в проводнике.

1.2. Электрическая сверхпроводимость  металлов.

В 1911 году голландский физик Г. Камерлинг-Оннес  обнаружил, что при постепенном  охлаждении сопротивление ртути  уменьшается по линейному закону только до температуры 4,15 К, а затем  исчезает. Это явление получило название сверхпроводимость. Температуру, при которой ряд веществ переходит в сверхпроводящее состояние, называют критической.

Интересной  особенностью сверхпроводящего состояния  вещества является то, что с повышением температуры выше критической оно  исчезает и вещество переходит в  нормальное состояние. Явление сверхпроводимости  исследовали во многих физических лабораториях мира, но только в 1985 году удалось найти материалы, которые переходят в сверхпроводящее состояние примерно при 20 К (-253°С). В 1986 году был обнаружен керамический материал, переходивший в сверхпроводящее состояние при температуре 30 К (-243°С). За один год потолок кристаллической температуры был поднят на 10 К. Это послужило толчком к поиску и исследованию керамических материалов, переходящих в сверхпроводящее состояние. Уже в 1987 году были найдены керамики, переходящие в сверхпроводящее состояние при температуре 125 К (-148°С). В настоящее время найдены материалы переходящие в сверхпроводящее состояние при температуре 162 К (-111°С). Последние пять лет исследованием явления сверхпроводимости заняты учёные многих стран мира. Задача этих исследований – найти вещества, переходящие в сверхпроводящее состояние при всё более высоких температурах. Интересно, что в ходе исследований были открыты сверхпроводящие полимеры.

Явление сверхпроводимости нашло широкое  применение в современной технике. Так, например, уже построены и  действуют генераторы электрического тока, магнитное поле и т.д.

Электронная теория проводимости металлов не смогла объяснить явление сверхпроводимости. Это явление было объяснено с  позиций квантовой физики.

 

2. Электрический ток в электролитах.

2.1. Явление  электролиза.

В электролитах свободными зарядами являются положительные  и отрицательные ионы. Опустим  в сосуд, содержащий электролит, две  металлические или угольные пластинки, соединённые с источником Е. Д. С. (рис. 1) и называемые электродами. Электрод, соединённый с положительным полюсом источника, называется анодом, соединённый с отрицательным полюсом источника – катодом. Сосуд, содержащий электролит и электроды называется электролитической ванной (или вольтаметром).

При замыкании цепи анод заряжается положительно, катод – отрицательно, и между ними образуется электрическое  поле. Под действием силы поля отрицательные  ионы движутся к аноду, а положительные  – к катоду (рис. 2). Поэтому отрицательные ионы получили название анионов, а положительные – катионов. Достигнув катода, катионы присоединяют к себе избыточные электроны катода и превращаются в нейтральные атомы. Эти атомы или образовавшиеся из них молекулы откладываются на электродах, покрывая их слоев вещества. Выделение вещества на электродах при прохождении электрического тока через электролит называется электролизом.

Нередко прохождение электрического тока через  электролиты сопровождается химическими  превращениями вещества. Рассмотрим, например, электролиз водного раствора серной кислоты. При диссоциации  молекула серной кислоты распадается на положительный ион водорода и отрицательный ион кислотного остатка:

H2SO4      2H+ + SO4— —,

причём каждый из ионов несёт заряд, численно равный элементарному заряду. Оказывается, что небольшая часть молекул  воды также диссоциирована на ионы, а именно: на положительный ион  водорода и отрицательный ион  гидроксида:

H2O       H+ + OH.

При замыкании  электрической цепи все ионы водорода движутся к катоду, а отрицательно заряженные ионы OH и SO4 к аноду. Ионы водорода отнимают у катода электроны и превращаются в нейтральные атомы, которые соединяются в молекулы H2 и выделяются из раствора. Анод отбирает лишние электроны у подошедших к нему ионов OH, так как силы, удерживающие электроны в ионах гидроксида, значительно меньше, чем силы, удерживающие электроны в ионах SO4. При разрядке ионов OH образуются молекулы воды и молекулы кислорода, который и выделяется из раствора. Таким образом, в растворе образуются следующие ионы:

H2SO4       2H+ + SO4,

4H2O       4H+ + 4OH.

На катоде выделяется газообразный водород:

4H+ + 4e = 2H2,

где e – заряд электрона.

На аноде  SO4остаются в растворе и, соединившись с ионами водорода, могут образовать молекулы H2SO4. В результате электролиза общее количество серной кислоты в растворе остаётся неизменным, а количество воды уменьшается.

Процесс, при котором вещество выделяется на обоих электродах, возможен лишь в том случае, когда электроды не растворяются в электролите.

Для электролитов справедлив закон Ома

I =

где R – сопротивление электролита, равное

R = ρ

Удельная  электропроводимость γ данного электролита тем больше, чем большее число его молекул диссоциировано на ионы и с тем большей скоростью эти ионы движутся под действием электрического поля с данной напряжённостью. При нагревании сопротивлении электролитов уменьшается. Это объясняется двумя причинами: во-первых, с увеличением температуры возрастает кинетическая энергия молекул электролита, и при соударениях большее их число распадается на ионы; во-вторых, при нагревании жидкости уменьшается её внутреннее трение, а следовательно, скорость движения ионов увеличивается.

2.2. Законы электролиза Фарадея.

М. Фарадей  исследовал явления происхождения  электрического тока через электролиты  и на основании опытов установил  два основных закона электролиза.

Первый  закон: масса m вещества, выделившаяся при электролизе на каждом из электродов, пропорциональна величине заряда q, прошедшего через электролит:

m = k q,      (1)

где k – электрохимический эквивалент данного вещества. При q = 1k k = m, т.е. электрохимический эквивалент равен количеству вещества, выделившемуся на электроде при прохождении через электролит единицы заряда.

Так как q = I t, то

m = k I t.

Значения  электрохимических эквивалентов для  некоторых веществ приведены  в приложении № 1.

Первый закон Фарадея легко  проверить на опыте.  Включим три  одинаковые электролитические ванны  А, В и С, содержащие один и тот  же электролит и имеющие одинаковые сопротивления, так, как показано на рис.3. Ток I, протекающий через ванну А, разделится поровну между ваннами В и С. Измерив после опыта количества вещества, выделившиеся на анодах ванн В и С, мы убедимся, что каждая из масс mB и mC равна половине массы mA, выделившейся на аноде ванны А. То же соотношение мы обнаружим и для масс вещества, выделившихся на катодах.

Второй  закон: электрохимические эквиваленты элементов прямо пропорциональны их химическим эквивалентам:

k = C

Здесь А – атомный вес элемента, Z – его валентность. Отношение

называется химическим эквивалентом вещества; С – величина постоянная, имеющая одно и тоже значение для всех веществ.

Проверим  второй закон Фарадея экспериментально. Соединим последовательно несколько  электролитических ванн, содержащих различные электролиты (рис. 4). Обозначим  массу вещества, выделившегося на одном из электродов (например, на катоде) первой ванны, m1, атомный вес этого вещества A1 и его валентность Z1, а соответствующие значения этих величин для вещества во второй ванне m2, A2 и Z2. По второму закону Фарадея,


 

Но  согласно первому закону Фарадея,

 

 

 

 

 

Подставим эти значения k1 и k2 в формулу (3). Так сила I и время t его прохождения через электролит одинаковы для обоих электролитов, то


 

 

Определим из опыта m1 и m2 и найдём значения A1, Z1, A2 и Z2. Повторим опыт со II и III вольтметрами, убедимся, что равенство (4) справедливо для любых двух веществ, выделившихся на электродах при электролизе в двух последовательно соединённых электролитических ваннах.

Электричество и окружающая среда — Управление энергетической информации США (EIA)

Хотя электричество является чистым и относительно безопасным видом энергии, когда оно используется, производство и передача электричества влияют на окружающую среду. Почти все типы электростанций оказывают влияние на окружающую среду, но некоторые электростанции оказывают большее влияние, чем другие.

В США действуют законы, регулирующие влияние производства и передачи электроэнергии на окружающую среду.Закон о чистом воздухе регулирует выбросы загрязняющих веществ в атмосферу на большинстве электростанций. Агентство по охране окружающей среды США (EPA) регулирует Закон о чистом воздухе и устанавливает стандарты выбросов для электростанций в рамках различных программ, таких как Программа кислотных дождей. Закон о чистом воздухе помог существенно сократить выбросы некоторых основных загрязнителей воздуха в Соединенных Штатах.

Влияние электростанций на ландшафт

Все электростанции имеют физический след (местоположение электростанции).Некоторые электростанции расположены внутри, на или рядом с существующим зданием, поэтому занимаемая площадь довольно мала. Большинство крупных электростанций требуют расчистки земли для строительства электростанции. Некоторым электростанциям также могут потребоваться подъездные дороги, железные дороги и трубопроводы для доставки топлива, линии электропередачи и системы подачи охлаждающей воды. Электростанции, работающие на твердом топливе, могут иметь места для хранения золы сгорания.

Многие электростанции представляют собой большие сооружения, изменяющие визуальный ландшафт.В целом, чем больше конструкция, тем больше вероятность того, что электростанция повлияет на визуальный ландшафт.

Две угольные электростанции Северного парового комплекса Кристал-Ривер в Кристал-Ривер, Флорида

Источник: Ebyabe, автор Wikimedia Commons (GNU Free Documentation License) (общественное достояние)

Электростанции, сжигающие ископаемое топливо, биомассу и отходы

  • Двуокись углерода (CO 2 )
  • Окись углерода (CO)
  • Диоксид серы (SO 2 )
  • Оксиды азота (NOx)
  • Твердые частицы (ТЧ)
  • Тяжелые металлы, например ртуть
  • CO 2 — парниковый газ, который способствует парниковому эффекту.
  • SO 2 вызывает кислотные дожди, вредные для растений и животных, живущих в воде. SO 2 также ухудшает респираторные и сердечные заболевания, особенно у детей и пожилых людей.
  • NOx способствует образованию озона на уровне земли, который раздражает и повреждает легкие.
  • PM приводит к возникновению тумана в городских и живописных районах и в сочетании с озоном способствует развитию астмы и хронического бронхита, особенно у детей и пожилых людей.Считается, что очень маленькие частицы, или fine PM , вызывают эмфизему и рак легких.
  • Тяжелые металлы, такие как ртуть, опасны для здоровья человека и животных.

Электростанции снижают выбросы загрязняющих веществ различными способами

  • Сжигание угля с низким содержанием серы для снижения выбросов SO 2 . Некоторые угольные электростанции сжигают древесную щепу вместе с углем для сокращения выбросов SO 2 . Предварительная обработка и переработка угля также может снизить уровень нежелательных соединений в дымовых газах.
  • Различные типы устройств для контроля выбросов твердых частиц обрабатывают дымовые газы перед их выходом из электростанции:
    • Мешковые камеры — это большие фильтры, улавливающие твердые частицы.
    • В электрофильтрах используются электрически заряженные пластины, которые притягивают и вытягивают твердые частицы из дымовых газов.
    • В мокрых скрубберах используется жидкий раствор для удаления твердых частиц из дымовых газов.
  • Мокрый и сухой скрубберы добавляют известь в топливо (уголь) или распыляют раствор извести в дымовые газы для снижения выбросов SO 2 .Сжигание в псевдоожиженном слое также приводит к снижению выбросов SO 2 .
  • Средства контроля выбросов NOx включают горелки с низким уровнем NOx во время фазы сгорания или селективные каталитические и некаталитические преобразователи во время фазы дожигания.

Электростанция Хантер, угольная электростанция к югу от Касл-Дейл, Юта

Источник: Триша Симпсон, автор Wikimedia Commons (GNU Free Documentation License) (общественное достояние)

Многие U.

Электростанции S. производят CO 2 выбросы

Электроэнергетика является крупным источником выбросов CO 2 в США. Электростанции электроэнергетического сектора, которые сжигали ископаемое топливо или материалы, изготовленные из ископаемого топлива, а также некоторые геотермальные электростанции были источником около 28% общих выбросов CO 2 в США в 2020 году.

Некоторые электростанции также производят жидкие и твердые отходы

Зола — твердый остаток, образующийся при сжигании твердого топлива, такого как уголь, биомасса и твердые бытовые отходы. Зольный остаток включает самые крупные частицы, которые собираются на дне камеры сгорания котлов электростанций. Зола-унос — это более мелкие и легкие частицы, которые собираются в устройствах для контроля выбросов в атмосферу. Летучая зола обычно смешивается с зольным остатком. Зола содержит все опасные материалы, которые улавливают устройства контроля загрязнения. Многие угольные электростанции хранят зольный шлам (зола, смешанная с водой) в накопительных прудах. Некоторые из этих прудов прорвались и нанесли значительный ущерб и загрязнение ниже по течению.Некоторые угольные электростанции отправляют золу на свалки или продают золу для производства бетонных блоков или асфальта.

Атомные электростанции образуют различные виды отходов

  • Низкоактивные отходы, такие как загрязненные защитные бахилы, одежда, протирочные тряпки, швабры, фильтры, остатки очистки реакторной воды, оборудование и инструменты, хранятся на атомных электростанциях до тех пор, пока уровень радиоактивности в отходах не снизится до безопасного уровня. для захоронения как обычный мусор, либо отправляется на свалку низкоактивных радиоактивных отходов.
  • Высокоактивные отходы, которые включают высокорадиоактивные отработанные (использованные) ядерные тепловыделяющие сборки, должны храниться в специально разработанных контейнерах и хранилищах (см. Временное хранение и окончательное захоронение в США).

Линии электропередач и другая распределительная инфраструктура также занимают площадь

Линии электропередачи и распределительная инфраструктура, по которой электроэнергия доставляется от электростанций к потребителям, также оказывают воздействие на окружающую среду.Большинство линий электропередачи проходят над землей на больших башнях. Башни и линии электропередач изменяют визуальный ландшафт, особенно когда они проходят через незастроенные участки. Растительность вблизи линий электропередач может быть нарушена, и, возможно, придется постоянно контролировать ее, чтобы держать ее подальше от линий электропередач. Эти действия могут повлиять на популяции местных растений и дикую природу. Линии электропередач могут быть проложены под землей, но это более дорогой вариант и обычно не делается за пределами городских территорий.

Последнее обновление: 6 декабря 2021 г.

Заканчиваются ли когда-нибудь в источнике электричества электроны?

Категория: Физика Опубликовано: 17 марта 2016 г.

Изображение в общественном достоянии, источник: NOAA.

Ответ на этот вопрос зависит от ситуации. Мы можем грубо разделить все электрические системы на две категории: системы статического электричества и системы контурного электричества. Обратите внимание, что все электрические эффекты на самом деле являются частью единого набора физических законов. Таким образом, эта классификация в конечном итоге является произвольной и чрезмерно упрощенной. Однако этой классификации достаточно для нашей нынешней цели понимания электрического тока.

Система статического электричества включает прохождение электрического тока в результате накопления где-то электрического заряда.Такая система не предполагает замкнутой электрической цепи. Примеры систем этого типа включают молнии и искры, возникающие при трении ногами о ковер. Электроны естественно отталкивают друг друга. Когда много электронов скапливается в одном месте, они могут давить друг на друга с такой силой, что часть электронов отталкивается от объекта. В конечном итоге они выталкиваются через воздух, воду или что-то еще, что окружает объект. Мы называем набор движущихся электронов электрическим током, поэтому накопление заряда может управлять током.Электроны просто утекают из кучи и в конечном итоге прикрепляются к атомам в окружающей среде. Таким образом, у нас может быть электрический ток, даже если у нас нет полной электрической цепи. В воздухе электрический ток принимает форму темного разряда, коронного разряда или искр (в зависимости от того, является ли ток слабым, средней силой или сильным, соответственно). Обратите внимание на то, что название «статическое электричество» — неудачное название, поскольку электрический заряд не всегда является стационарным в этом типе системы.Более точные названия были бы «электричество вне цепи» или «электричество накопления заряда».

Поскольку накопление заряда является причиной возникновения электрического тока в системах статического электричества, ток перестанет течь, как только накопление заряда исчезнет. По мере того, как электроны уходят от кучи, она становится меньше. В конце концов, куча избыточных электронов исчезнет (электроны, которые необходимы для поддержания нейтральности молекул, все еще остаются, но они мало что делают). В буквальном смысле, электричество перестает течь, потому что в источнике заканчиваются избыточные электроны.Вот почему молнии и искры между статически заряженными носками быстро исчезают. Дело не в том, что электроны уничтожаются. Скорее, они утекают в далекие точки, пока ничего не остается.

В отличие от этого, электрические схемы включают в себя прохождение электрического тока через замкнутый контур. Этот ток является результатом работы зарядового насоса где-то в контуре. Этот насос также называется источником напряжения и может иметь форму батареи, солнечного элемента, генератора или шнура от электросети.Насос создает в цепи разность напряжений, которая пропускает через цепь заряды, подобные электронам. Насос может либо постоянно качать электроны в одном направлении, что приводит к постоянному току (DC), либо он может периодически отключать направление, в котором он накачивает электроны, что приводит к переменному току (AC). Для простоты остановимся на постоянном токе.

По мере того, как электроны проходят по цепи, они текут вниз по наклонной плоскости потенциальной энергии, создаваемой напряжением.Как только они достигают насоса в конце цепи, электроны с низкой энергией снова нагнетаются до высокой потенциальной энергии, так что они могут снова начать течь по цепи. Ситуация немного напоминает искусственный водопад на заднем дворе. Вода стекает с водопада в бассейн из-за естественного притяжения силы тяжести, точно так же, как электроны проходят через цепь из-за приложенного напряжения. Затем водяной насос подталкивает воду в бассейне обратно к высокоэнергетическому состоянию на вершине водопада, точно так же, как батарея подталкивает электроны обратно к более высокому энергетическому состоянию в начале цикла.Затем цикл повторяется.

Поскольку накачка заряда является причиной возникновения электрического тока в системе электроснабжения контура, ток никогда не перестанет течь, пока насос остается включенным, а цепь остается непрерывной. Цепи не создают, не разрушают, не расходуют и не теряют электроны. Они просто носят электроны по кругу. По этой причине в схемных электрических системах действительно не могут закончиться электроны. Энергия, передаваемая через цепь, не является результатом присутствия электронов в цепи.Электроны всегда присутствуют в цепи как часть атомов и молекул, составляющих цепь. Доставляемая электрическая энергия является результатом движения электронов по цепи. Выключите насос (т.е. отсоедините аккумулятор), и электроны перестанут двигаться по цепи. Но электроны никуда не денутся. Они по-прежнему присутствуют как естественная часть материалов в цепи.

Как я уже говорил, разделение систем на статические и схемные несколько произвольно и упрощенно.Реальные электрические системы содержат комбинацию обоих эффектов. Например, схема часто содержит конденсатор. В то время как схема действует в целом как электрическая система цепи, конденсатор действует больше как система статического электричества. В результате в конденсаторе действительно могут закончиться электроны. Как только одна сторона конденсатора истощается от электронов, электрический ток перестает течь через конденсатор. В этот момент часть цепи, содержащая конденсатор, переключается с работы в качестве электрической системы цепи на систему статического электричества.Это происходит в том смысле, что ток теперь останавливается из-за нехватки электронов, а не из-за отсутствия электронной накачки или отсутствия полной цепи.

Темы: заряд, ток, электричество, электрон, статическое электричество

Новый материал, сделанный из углеродных нанотрубок, может генерировать электричество, поглощая энергию из окружающей среды — ScienceDaily

Инженеры Массачусетского технологического института открыли новый способ производства электричества с использованием крошечных углеродных частиц, которые могут создавать ток, просто взаимодействуя с окружающей их жидкостью.

Жидкость, органический растворитель, вытягивает электроны из частиц, генерируя ток, который можно использовать для запуска химических реакций или для питания микро- или наноразмерных роботов, говорят исследователи.

«Этот механизм новый, и этот способ производства энергии совершенно новый, — говорит Майкл Страно, профессор химической инженерии Карбон П. Дуббс в Массачусетском технологическом институте. «Эта технология интригует, потому что все, что вам нужно сделать, это пропустить растворитель через слой этих частиц. Это позволяет выполнять электрохимию, но без проводов.«

В новом исследовании, описывающем это явление, исследователи показали, что они могут использовать этот электрический ток для запуска реакции, известной как окисление спирта — органической химической реакции, которая важна в химической промышленности.

Страно — старший автор статьи, которая сегодня публикуется в журнале Nature Communications . Ведущими авторами исследования являются аспирант Массачусетского технологического института Альберт Тяньсян Лю и бывший исследователь Массачусетского технологического института Юичиро Кунаи. Среди других авторов — бывший аспирант Антон Коттрилл, аспиранты Амир Каплан и Хьюна Ким, аспирант Ге Чжан и недавние выпускники Массачусетского технологического института Рафид Молла и Янник Итмон.

Уникальные объекты

Новое открытие стало результатом исследований Страно углеродных нанотрубок — полых трубок, состоящих из решетки атомов углерода, которые обладают уникальными электрическими свойствами. В 2010 году Страно впервые продемонстрировал, что углеродные нанотрубки могут генерировать «волны термоЭДС». Когда углеродная нанотрубка покрыта слоем топлива, движущиеся импульсы тепла или волны термоЭДС перемещаются по трубке, создавая электрический ток.

Эта работа привела Страно и его учеников к открытию родственной особенности углеродных нанотрубок.Они обнаружили, что, когда часть нанотрубки покрыта тефлоноподобным полимером, это создает асимметрию, которая позволяет электронам течь от покрытой к непокрытой части трубки, генерируя электрический ток. Эти электроны можно вытянуть, погрузив частицы в растворитель, который жаждет электронов.

Чтобы использовать эту особую способность, исследователи создали частицы, генерирующие электричество, измельчая углеродные нанотрубки и превращая их в лист материала, похожего на бумагу. Одна сторона каждого листа была покрыта тефлоноподобным полимером, а затем исследователи вырезали мелкие частицы, которые могут быть любой формы и размера. Для этого исследования они сделали частицы размером 250 на 250 микрон.

Когда эти частицы погружаются в органический растворитель, такой как ацетонитрил, растворитель прилипает к непокрытой поверхности частиц и начинает вытягивать из них электроны.

«Растворитель уносит электроны, и система пытается уравновеситься, перемещая электроны», — говорит Страно.«Внутри батареи нет сложной химии. Это просто частица, которую вы помещаете в растворитель, и она начинает генерировать электрическое поле».

Сила частиц

Текущая версия частиц может генерировать около 0,7 вольт электричества на частицу. В этом исследовании исследователи также показали, что они могут образовывать массивы из сотен частиц в небольшой пробирке. Этот реактор с «уплотненным слоем» вырабатывает достаточно энергии для химической реакции, называемой окислением спирта, в которой спирт превращается в альдегид или кетон. Обычно эту реакцию не проводят с помощью электрохимии, потому что для этого потребуется слишком большой внешний ток.

«Поскольку реактор с уплотненным слоем компактен, он имеет большую гибкость с точки зрения применения, чем большой электрохимический реактор», — говорит Чжан. «Частицы могут быть очень маленькими, и им не нужны внешние провода, чтобы проводить электрохимическую реакцию».

В своей будущей работе Strano надеется использовать этот вид выработки энергии для создания полимеров, используя только диоксид углерода в качестве исходного материала.В родственном проекте он уже создал полимеры, которые могут восстанавливаться с использованием углекислого газа в качестве строительного материала в процессе, основанном на солнечной энергии. Эта работа вдохновлена ​​фиксацией углерода, набором химических реакций, которые растения используют для создания сахара из углекислого газа, используя энергию солнца.

В более долгосрочной перспективе этот подход может также использоваться для питания микро- или наноразмерных роботов. Лаборатория Страно уже начала создавать роботов такого масштаба, которые однажды можно будет использовать в качестве диагностических датчиков или датчиков окружающей среды.По его словам, идея о возможности извлекать энергию из окружающей среды для работы таких роботов весьма привлекательна.

«Это означает, что вам не нужно размещать накопитель энергии на борту», ​​- говорит он. «Что нам нравится в этом механизме, так это то, что вы можете получать энергию, по крайней мере частично, из окружающей среды».

Исследование финансировалось Министерством энергетики США и посевным грантом Энергетической инициативы Массачусетского технологического института.

Как электричество влияет на окружающую среду? | Education

Электричество — это невидимая и естественная сила, которая проявляется в таких природных явлениях, как молния и удары, которые иногда возникают при прикосновении к металлу.Выращивание электричества для использования людьми предлагает множество удобств, но оно также может нанести вред окружающей среде и увеличить риск для здоровья людей.

Различные воздействия

Энергетические компании используют различные процессы для производства электроэнергии, и не все процессы одинаково влияют на окружающую среду. Например, уголь — гораздо более проблемный с экологической точки зрения источник энергии, чем солнечная энергия, которая оказывает минимальное воздействие на окружающую среду. Другие формы производства электроэнергии включают природный газ, гидроэлектростанции, атомную энергию и нефть.

Парниковые газы

Большинство механизмов выработки электроэнергии выделяют в атмосферу Земли углекислый газ и другие парниковые газы — газы, которые поглощают и излучают радиацию. Хотя небольшие количества углекислого газа существуют в атмосфере естественным образом, производство электроэнергии значительно увеличило присутствие парниковых газов в атмосфере планеты. Подавляющее большинство ученых считают, что это способствует неестественной степени глобального потепления, которое может повлиять на глобальный климат, уничтожить популяции животных и изменить местные экосистемы.

Загрязнение и кислотные дожди

Почти все формы электроэнергии производят отходы. Например, природный газ выделяет диоксид углерода и оксид азота. Атмосфера Земли улавливает эти газы, что приводит к загрязнению воздуха и смогу. Погодные условия и геологические изменения могут повлиять на распространенность смога в определенной области. Например, долина, зажатая между холмами при небольшом ветре, может затянуть очаг смога. Когда смог, содержащий диоксид серы и оксид азота, выбрасывается в атмосферу, он может загрязнять осадки и выпадать обратно в виде кислотного дождя.

Проблемы удаления отходов

Практически все формы производства электроэнергии производят некоторые отходы, но такие источники энергии, как ядерная энергия, образуют опасные твердые отходы. Некоторые источники радиоактивных отходов остаются радиоактивными в течение тысяч лет, а это означает, что отходы могут вызывать рак и генетические мутации у людей и животных. Радиоактивные отходы могут изменять химический состав почвы, делая ее небезопасной для местной дикой природы и потенциально убивая виды растений. При сжигании угля образуются твердые отходы, называемые золой, которые часто сбрасываются на свалки, что способствует их переполнению.Агентство по охране окружающей среды заявляет, что можно переработать этот материал в цемент и другие полезные продукты, а некоторые производители угля перерабатывают свои отходы.

Травмы дикой природе

Производство и доставка электроэнергии могут нанести вред местной дикой природе. Птицы могут влететь в линии электропередач, что приведет к поражению электрическим током. Ветряные электростанции представляют опасность для летающих животных, таких как летучие мыши и птицы. Никакая система выработки электроэнергии не может быть идеальной, а аварии на электростанциях также могут привести к травмам животных.Например, исследование 2009 года показало, что чернобыльская ядерная катастрофа привела к сокращению популяций животных даже через 20 лет после катастрофы.

Ссылки

Писатель Биография

Ван Томпсон — поверенный и писатель. В прошлом инструктор по боевым искусствам, он имеет степень бакалавра музыки и информатики Вестчестерского университета и доктора права Университета штата Джорджия. Он является лауреатом многочисленных писательских наград, в том числе премии CALI Legal Writing Award 2009.

Электромагнитная среда — обзор

7.7.1 Общая конструкция

Расположение оборудования

Два оборудования, выполняющие совершенно разные функции, могут мешать друг другу в зависимости от характеристик сигнала, рабочих частот и т. Д.

Один Одним из наиболее важных факторов в достижении ЭМС является соединение и заземление корпусов электрического и электронного оборудования с токопроводящим корпусом.

Наиболее эффективное заделывание — это периферийное соединение на 360 градусов между оплеткой и задней оболочкой разъема.Конфигурация подключения периферийных устройств обеспечивает электрическое соединение с низким импедансом и, следовательно, минимизирует потенциальную электромагнитную связь.

Использование композитных конструкций на самолетах стало более распространенным для снижения веса. В дополнение к эффектам апертуры, использование композитов в определенных областях самолета может привести к другим проблемам, связанным с соединением. В частности, если углеродная композитная структура расположена на обшивке самолета, частичная проводимость материала может позволить току проходить через него.Однако из-за высокого сопротивления результирующее падение напряжения на конструкции может быть значительным. Это напряжение может вызвать подобное напряжение на пучках кабелей, проложенных под композитной конструкцией. Если потенциальные напряжения слишком высоки для сертификации из-за использования композитных материалов, необходима дополнительная защита. Техника защиты может быть встроена в проводку (например, экранирование) или на композитный материал (например, путем «металлизации»). Такая защита могла бы свести на нет вес, сэкономленный в первую очередь за счет использования композитного материала, или даже добавить вес по сравнению с тем, который был бы, если бы конструкция была металлической.

Когда молния поражает самолет, ток течет через его корпус. Обычно электрический путь для тока составляет множество конструктивных элементов. Разработчики должны убедиться, что методы, используемые для соединения этих элементов (например, крепежные детали), будут правильно завершать электрический путь. В противном случае происходит ионизация воздушного зазора между элементами, что может привести к возникновению дуги и повреждению материалов. Также необходимо убедиться, что метод соединения элементов конструкции может пропускать ток молнии.В противном случае может произойти повреждение интерфейсов участников.

По мере того, как в самолетах используется больше электронных компонентов и все шире используются неметаллические конструкционные материалы, системы становятся более уязвимыми к воздействию электромагнитных полей и внезапных скачков напряжения, связанных с ударами молнии. В результате требования к сертификации ужесточаются, а стандарты в этой области все еще развиваются. Следовательно, знающие инженеры должны быть очень внимательны к определенным вопросам, включая: (1) внутреннюю и внешнюю среду, (2) квалификацию и сертификацию, (3) методы проектирования и (4) время посещения дружественного инженера EMC по освещению.

При проектировании самолетов мы учитываем три различных элемента электромагнитной (ЭМ) среды.

1.

Электромагнитные помехи и совместимость . Электромагнитные помехи (EMI) относятся к электромагнитным излучениям системы или систем. Электромагнитная совместимость (ЭМС) — это условие, при котором ни один из компонентов самолета не создает электрические или магнитные эффекты, которые приводят к неправильной работе любого другого компонента.

2.

Излучаемые поля высокой интенсивности (HIRF) . Излучаемые поля высокой интенсивности относятся к электромагнитной среде, создаваемой передатчиками высокой мощности, такими как Голос Америки. Эти поля могут быть чрезвычайно сильными, и существует реальная возможность возникновения неблагоприятных последствий.

3.

Lightning . Удары молнии по самолетам происходят регулярно. Во время удара по планеру проходят сильные токи. Эти токи могут повредить внешние конструкции и создать переходные процессы в проводке электрических / электронных систем.Переходные токи могут протекать по самолету. Следовательно, все конструкции и электрические / электронные системы, связанные с безопасностью, должны быть должным образом защищены.

При рассмотрении электромагнитной среды самолета необходимо учитывать две зоны: внешнюю и внутреннюю.

Внешняя электромагнитная среда состоит из двух компонентов: HIRF и молнии.

Внутреннюю электромагнитную среду можно разделить на четыре части:

1.

Межсистемный: Выбросы, существующие между системами.

2.

Внутрисистемные: выбросы внутри отдельной системы или компонента.

3.

Индуцированный HIRF: Помехи, вызванные воздействием внешней среды HIRF.

4.

Внутренние переходные процессы молнии: Индуцированные переходные процессы в результате удара молнии.

Факты и информация о молниях

Молния — это электрический разряд, вызванный дисбалансом между грозовыми облаками и землей или внутри самих облаков.Большинство молний происходит в облаках.

«Простая молния» описывает дальний разряд, освещающий всю нижнюю часть облака. Другие видимые болты могут иметь вид бусинки, ленты или ракетной молнии.

Во время шторма сталкивающиеся частицы дождя, льда или снега внутри грозовых облаков увеличивают дисбаланс между грозовыми облаками и землей и часто отрицательно заряжают нижнюю часть грозовых облаков. Объекты на земле, такие как шпили, деревья и сама Земля, становятся положительно заряженными, создавая дисбаланс, который природа стремится исправить, пропуская ток между двумя зарядами.

Молния очень горячая — вспышка может нагреть воздух вокруг нее до температуры, в пять раз превышающей температуру поверхности Солнца. Это тепло заставляет окружающий воздух быстро расширяться и вибрировать, что создает раскат грома, который мы слышим через короткое время после вспышки молнии.

Удары молний во время гроз ежегодно убивают больше американцев, чем торнадо или ураганы.

Типы молний

Молнии «облако-земля» — обычное явление — около 100 ударов ударов по поверхности Земли каждую секунду, но их сила необычайна.Каждый болт может содержать до одного миллиарда вольт электричества.

Типичный разряд молнии между облаком и землей начинается, когда ступенчатая серия отрицательных зарядов, называемая ступенчатым лидером, мчится вниз от нижней части грозового облака к Земле по каналу со скоростью около 200 000 миль в час (300 000 км / ч). . Каждый из этих сегментов имеет длину около 150 футов (46 метров).

Когда самая нижняя ступенька находится в пределах 150 футов (46 метров) от положительно заряженного объекта, она встречает восходящую волну положительного электричества, называемую серпантином, которая может подниматься вверх через здание, дерево или даже человека. .

Когда они соединяются, электрический ток течет, когда отрицательные заряды летят вниз по каналу к земле, и видимая вспышка молний поднимается вверх со скоростью около 200000000 миль в час (300000000 км / час), передавая электричество в виде молнии в процессе.

Некоторые типы молний, ​​включая наиболее распространенные, никогда не покидают облака, а перемещаются между различными заряженными областями внутри или между облаками. Другие редкие формы могут быть вызваны сильными лесными пожарами, извержениями вулканов и метелями.Шаровая молния, небольшая заряженная сфера, которая плавает, светится и прыгает, не обращая внимания на законы гравитации или физики, до сих пор ставит ученых в тупик.

Примерно от одной до 20 разрядов молнии «облако-земля» — это «положительная молния», тип которой берут начало в положительно заряженных вершинах грозовых облаков. Эти удары обращают поток заряда типичных разрядов молний и намного сильнее и разрушительнее. Положительная молния может простираться по небу и ударить «из ниоткуда» на расстояние более 10 миль от грозового облака, в котором она родилась.

Удар молнии

Молния не только впечатляющая, но и опасная. Ежегодно во всем мире молнией гибнут около 2000 человек. Сотни других выживают после ударов, но страдают от множества устойчивых симптомов, включая потерю памяти, головокружение, слабость, онемение и другие болезни, изменяющие жизнь. Удары могут вызвать остановку сердца и серьезные ожоги, но выживают 9 из каждых 10 человек. У среднего американца примерно 1 из 5000 шанс быть пораженным молнией в течение жизни.

Сильный жар молнии испарит воду внутри дерева, создавая пар, который может разнести дерево на части. Машины — убежище от молний, ​​но не по той причине, в которую многие верят. Шины проводят ток, как и металлические каркасы, которые безвредно переносят заряд на землю.

Многие дома заземлены с помощью стержней и других средств защиты, которые безвредно проводят электричество молнии к земле. Дома также могут быть случайно заземлены водопроводом, водосточными желобами или другими материалами.Заземленные здания обеспечивают защиту, но люди, которые касаются проточной воды или пользуются стационарным телефоном, могут быть поражены электрическим током.

Пожалуйста, соблюдайте авторские права. Несанкционированное использование запрещено.

Пожалуйста, соблюдайте авторские права. Несанкционированное использование запрещено.

Пожалуйста, соблюдайте авторские права. Несанкционированное использование запрещено.

Пожалуйста, соблюдайте авторские права. Несанкционированное использование запрещено.

Пожалуйста, соблюдайте авторские права.Несанкционированное использование запрещено.

Пожалуйста, соблюдайте авторские права. Несанкционированное использование запрещено.

Пожалуйста, соблюдайте авторские права. Несанкционированное использование запрещено.

Пожалуйста, соблюдайте авторские права. Несанкционированное использование запрещено.

Пожалуйста, соблюдайте авторские права. Несанкционированное использование запрещено.

Пожалуйста, соблюдайте авторские права. Несанкционированное использование запрещено.

Пожалуйста, соблюдайте авторские права. Несанкционированное использование запрещено.

Пожалуйста, соблюдайте авторские права. Несанкционированное использование запрещено.

Пожалуйста, соблюдайте авторские права. Несанкционированное использование запрещено.

1/13

1/13

В Южной Дакоте разразилась гроза суперячейки. Среди самых сильных штормов суперячейки могут приносить сильный ветер, град и даже смерчи. ( См. другие изображения экстремальной погоды .)

Удары молнии

Гроза в суперячейке в Южной Дакоте. Среди самых сильных штормов суперячейки могут приносить сильный ветер, град и даже смерчи. (См. Больше изображений экстремальной погоды.)

Фотография Джима Рида, National Geographic

ESA — Электромагнетизм и космическая среда

Хотя электричество является источником жизненной силы спутника, иногда бывает слишком много хорошего. Обеспечивая желаемый прием и передачу сигналов, электрические токи индуцируют электрические и магнитные поля, которые могут вызывать помехи и ухудшать характеристики космического корабля.И есть экологические угрозы, которые необходимо учитывать конструкторам космических кораблей.

Что такое область электромагнетизма и космической среды?

«Электромагнетизм и космическая среда» охватывает две технические области: одна связана с проблемами передачи, приема, распространения и взаимодействия электромагнитных полей, а другая — с проблемными эффектами орбитальной среды.

Что касается «желаемых эффектов», основными темами являются конструкция антенны и изучение распространения электромагнитных волн, в частности, через атмосферу и в других сложных средах (например,г. как сигнал, исходящий от спутника, распространяется в городе с высокими зданиями и внутри них).

Все космические аппараты требуют электромагнитной совместимости (ЭМС) между их различным оборудованием и подсистемами, что требует специальной испытательной кампании.

Антенны являются единственным наиболее чувствительным элементом спутника к помехам, потому что они работают, намеренно превращая электромагнитные поля в электрические токи и наоборот. Работа включает моделирование и тестирование того, как конструкция космического корабля может повлиять на характеристики антенны, с учетом соседних электрических полей, отражающих поверхностей и других возможных радиочастотных взаимодействий.

Электромагнитные волны, используемые для связи между передатчиком и приемником, для точного определения местоположения в навигационных системах или в качестве средства исследования окружающей среды, как в случае дистанционного зондирования, также сложным образом взаимодействуют с окружающей средой.

Еще одним основным видом деятельности является оценка характеристик спутниковых приемников в сочетании с антеннами наземных станций для приложений телеметрии, слежения и телеуправления (TT&C).

Естественная космическая среда состоит из излучения частиц высокой энергии, плазмы, газов и твердых частиц, а подобласть «космическая среда и эффекты» включает оценки этих сред и их воздействия на космические системы.

Почему важны электромагнетизм и космическая среда?

Условия космической среды — это сложный комплекс явлений с участием Солнца и Земли.

Радиоволны — это практически единственный простой и безопасный способ связи с космическим кораблем, поэтому антенны и радиоволны являются двумя основными элементами в космической технике.

Затем радиоволны используются для широкого спектра приложений, включая телекоммуникации, наблюдение Земли (или других планет) на расстоянии, а также для радионавигации.Для всех этих целей необходимо разработать специальные антенны, а также оценить желаемые или нежелательные эффекты распространения волн.

Электромагнитная совместимость долгое время была важнейшей проблемой производительности, но предполагается, что электромагнитные помехи станут еще более важными с появлением широкополосных телекоммуникационных спутников следующего поколения, которые включают в себя несколько точечных лучей, работающих на более высоких частотах.

Излучение радиационных поясов Земли, взрывных событий на Солнце и галактических космических лучей может повредить электронные компоненты, детекторы и людей.Плазма может вызвать высокий уровень электростатического заряда на поверхности космического корабля, что приведет к электростатическому разряду. Атмосфера вызывает сопротивление и, например, на Марсе может использоваться для торможения космического корабля. Такие частицы, как микрометеороиды и небольшой космический мусор, могут пробивать космические корабли и системы, вызывая повреждения или серьезные опасности в пилотируемых полетах. При разработке космических кораблей важно анализировать все эти среды и их эффекты. Необходимо разработать необходимые вычислительные инструменты и модели, необходимо проанализировать данные космических экспериментов, которые измеряют окружающую среду и ее воздействие.

Другие электромагнитные факторы угрожают не только характеристикам, но и живучести спутника.

Проведение высоковольтной системы через плазменную среду на низкой околоземной орбите может способствовать постепенному накоплению заряженной плазмы на поверхности спутников, угрожая опасным электростатическим разрядом — космическим эквивалентом удара молнии.

Спутники также подвергаются атакам излучения энергичных частиц, которое может нарушить или повредить электрические системы, микрометеороиды и обломки, в то время как атомарный кислород — основной компонент окружающей среды на низкой околоземной орбите — оказывает сильнейшее эрозионное воздействие на многие материалы.

Также очень важно понимать, как естественная среда взаимодействует с электромагнитными волнами, поскольку это понимание может дать подсказки о способах улучшения работы радиолинии или о типе информации, которую можно получить с помощью дистанционного зондирования.

Нравится

Спасибо за лайк

Вам уже понравилась эта страница, вам может понравиться только один раз!

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *