§ 4. Проводимость различных сред

Электрический ток в растворах и расплавах электролита

1. Первый вопрос, на который следует ответить: является ли дистиллированная вода проводником электрического тока? Для этого проделаем следующий опыт. Опустим в сосуд с дистиллированной водой два электрода и соединим их с источником тока и гальванометром. При замыкании цепи тока в ней не будет, стрелка гальванометра останется на нуле.

Если теперь в дистиллированную воду налить концентрированный раствор медного купороса и замкнуть цепь, то стрелка гальванометра отклонится (рис. 13). Раствор медного купороса можно заменить раствором поваренной соли или какого-либо другого электролита (соли, кислоты, щёлочи). Таким образом, растворы электролитов являются проводниками электрического тока.

Рис. 13

Выясним, какие частицы являются свободными носителями электрического заряда в электролите.

Из курса химии вы знаете, что при растворении в воде электролиты распадаются на положительно и отрицательно заряженные ионы. Этот процесс называют электролитической диссоциацией. Он характеризуется степенью диссоциации, которая показывает, какая часть молекул растворённого вещества распалась на ионы. Степень диссоциации зависит от температуры раствора и его концентрации.

Процесс диссоциации сопровождается обратным процессом рекомбинации — восстановлением молекул. При неизменных внешних условиях число молекул, распадающихся на ионы, равно числу восстановленных молекул, т. е. в растворе устанавливается динамическое равновесие.

Когда внешнее электрическое поле отсутствует, ионы и молекулы находятся в хаотическом тепловом движении. При наличии внешнего поля движение ионов становится направленным: положительно заряженные ионы движутся к отрицательному электроду (катоду), а отрицательно заряженные ионы — к положительному электроду (аноду).

Таким образом, электрический ток в электролитах обусловлен движением положительно и отрицательно заряженных ионов.

Исследование зависимости силы тока, проходящего через электролит, от напряжения на нём показывает, что сила тока (при определённых значениях напряжения) прямо пропорциональна напряжению, т. е. для электролита выполняется закон Ома. Графиком вольт-амперной характеристики электролита является прямая, угол наклона которой остаётся постоянным, сдвинутая от начала координат на отрезок ОА (рис. 14). Это происходит из-за того, что в электролите около катода собираются положительные заряды, а около анода — отрицательные. Поле этих зарядов направлено против поля, созданного электродами.

Рис. 14

При повышении температуры электролита увеличивается степень диссоциации, ионов становится больше и сопротивление электролита уменьшается.

Электрический ток в вакууме

2. Как вам известно, в вакууме отсутствуют частицы вещества, в том числе и заряженные. Для создания электрического тока в вакуум необходимо ввести заряженные частицы. В баллон, из которого откачан воздух, поместим металлическую нить, соединённую с источником тока (рис. 15). При нагревании нити свободные электроны получают энергию, достаточную для того, чтобы вылететь из металла. Явление испускания электронов нагретым металлом называют термоэлектронной эмиссией.

Рис. 15

Электроны, вылетевшие из металла, отталкиваются друг от друга и совершают беспорядочное движение. Некоторые из них возвращаются в металл. При неизменных внешних условиях, в частности при неизменной температуре нити, число вылетающих из металла электронов со временем становится равным числу электронов, возвращающихся в металл. Наступает динамическое равновесие. Над нитью образуется так называемое электронное облако.

Поместим в сосуд второй электрод — пластину. Если теперь создать внешнее электрическое поле, присоединив нить к отрицательному полюсу источника тока, а пластину — к его положительному полюсу (рис. 16), то в цепи будет идти электрический ток. Это происходит потому, что электроны, вырвавшиеся из металлической нити (катода), ускоряются электрическим полем и долетают до пластины (анода).

Рис. 16

Продолжение >>>