2H + CuCl Cu Cl SO 4. Provođenje struje kroz: elektrolite i jonizovane gasove; termoelektricitet i električni luk - H

Transcript

1 Provođnj struj kroz: lktrolit i jonizovan gasov; trmolktricitt i lktrični luk.8 Provođnj struj kroz lktrolit Čista voda j dobar izolator. Mđutim, rastvori kisjlina, baza i soli u vodi, su rlativno dobri provodnici lktričn struj. Svrstavamo ih u katgoriju provodnika drug vrst. T rastvor nazivamo lktrolitima. Švdski fizičar rnijus postavio j toriju lktrolitičk disocijacij po kojoj voda razlaž molkul kisjlina, baza i soli na jon. Npr., molkuli sumporn kisjlin razlažu s na dva atoma vodonika bz lktrona i grupu koja ima dva lktrona viška. Ovakvi procsi tku u oba smjra i izražavaju s hmijskom rlacijom: HSO H + SO Sličan procs s odvija u rastvorima baza i soli, pa, na primjr, za rastvor sod NaOH (natrijum hidroksida ) važi: + NaOH Na + OH odnosno pri disocijaciji hlorida bakra j: CuCl Cu Cl ++ + Pozitivni joni nazivaju s katjoni, a ngativni joni nazivaju s anjoni. ko u sud od izolacionog matrijala (rcimo stakla), napunjn lktrolitom, postavimo dvij mtaln ploč (lktrod) i povžmo ih na izvor lktričn struj, dobijamo tzv. voltamtar. prij priključnja batrij, po toriji lktrolitičk disocijacij, molkuli kislin su s razložili na anjon i katjon. SO 4 H H Pt Pt K BTERJ H SO 4 H O H SO 4 1

2 Pri propuštanju struj, katjoni H + odlaz na katodu. Svaki od njih od katod oduzima po jdan lktron i tako s stvara nutralni vodonik, koji, u vidu mjhurića, izlazi iz tčnosti. -- njoni SO 4 bivaju privučni od anod, i svaki od njih prdaj anodi po dva lktrona, nutrališući s pri tom. Sada nastupa skundarna rakcija: nutralna grupa, budući da j hmijski voma aktivna, jdini s sa vodom stvarajući sumpornu kislinu i oslobađajući kisonik: SO + H O H SO + O 4 4 tako, sa skundarnom rakcijom, ukupan rzultat lktroliz j razlaganj vod na vodonik i kisonik. Elktrolit i sastav lktroda s n mijnjaju..8.1 Elktrolitičko prčišćavanj mtala Kada kroz lktrolit, npr. sulfat bakra CuSO 4, prolazi lktrična struja odvijać s sljdć rakcij: Katjon Cu ++ odlazi na katodu, oduzima joj dva lktrona i -- taloži s na njoj. njon SO 4 odlazi na anodu, prdaj joj dva lktrona, i nutrališ s. Sada nastupa skundarna rakcija. Nutralizovana grupa SO 4 hmijski j vrlo aktivna i jdini s sa bakrom sa anod i stvara bakarni sulfat: n č isti Cu H O C u + + S O4 K CuS 4 O č isti C u SO4 + Cu CuSO4 kupan rzultat j prčišćavanj bakra prnošnjm atoma bakra sa anod na katodu..8. Faradjv zakon lktroliz Faradjvi ksprimnti nagovijstili su, a kasnij i potvrdili, današnj shvatanj o strukturi matrij, o lmntarnom kvantu lktricitta i jdnakosti količin lktricitta na svakom lktronu. Faradj j ustanovio da masa matrij izdvojn lktrolitičkim procsima n zavisi od: - koncntracij lktrolita, - tmpratur, - površin, oblika i rastojanja lktroda, a zavisi od: -količin lktricitta koja prođ kroz lktrolit, - atomsk mas lmnta koji s izdvaja i - valntnosti matrij koja s izdvaja. Pažljivim mjrnjm došao j do obrasca za odrđivanj mas izdvojn u lktrolitičkom procsu, koji s obično naziva Faradjv zakon lktroliz: m = H Q gdj j: m - masa (kg) H - lktrohmijski kvivalnt, (kg/c) Q=t -količina lktricitta koja prođ kroz lktrolit, (C=s) Elktrohmijski kvivalnt j vličina koja ukazuj koliko s mas dotičn matrij izdvoji pri prolazu jdinic količin lktricitta: gdj j: k - prirodna konstanta, (kg/c) - atomska tčina, (1) v - valntnost, (1) H = k v

3 Prciznim mjrnjm, Faradj j ustanovio da j : k = 10 ( kg / C ) 96 5, Za nutralisanj nkog v-valntnog lmnta potrbno j v kvanta lktricitta: v Q = v 16, C Svaki atom ima masu koja s približno mož dobiti ako s atomska "tžina" pomnoži sa masom jdnog nutrona; m = n 167, 10 7 ko kroz lktrolit prođ količina lktricitta od Q kulona, tada ć proći Q/Q lktrona, što odgovara Q/(vQ ) atoma, pa j masa izdvojna pri protoku Q-kulona lktricitta: 7 Q mn m = mn = Q = t 19 vq Q v v što, ako upordimo sa, m = 10 8 v t koliko j Faradj dobio ksprimntalno, moramo konstatovati, prdstavlja izvanrdno dobro slaganj, posbno ako s ima u vidu da j Faradj izvodio ksprimnt u vrijm kada s o lktronima, protonima i nutronima nij znalo..9 Hmijski izvori lktričn struj - akumulatori Razmotrimo slučaj voltamtra kada su obj lktrod od istog matrijala (npr. dvij bakarn ploč), u rastvoru bakarnog sulfata (CuSO 4 ). Mjrći, posbnom mjrnom aparaturom, porast potncijala izmđu katod i anod, konstatovaćmo promjnu potncijala kao na slici, sa koj s vidi da kod katod ms-a E n zavisi od jačin struj, da j daljnji porast napona srazmjran struji, a zatim, kod anod, pad napona j takođ nzavisan od jačin struj, i isti j po vrijdnosti kao kod katod. E Elktrolit s ponaša kao trmogni otpor čija j otpornost približno: R l = ρ S gdj j: R - otpornost lktrolita (Ω) ρ - spcifična otpornost lktrolita (Ωm) l - rastojanj izmđu lktroda (m) S - površina lktroda (m ). E KTOD NOD R x 3

4 Nagl promjn napona na lktrodama (slika), nij tško objasniti. Na anodi s rastvara bakar, a iz hmij j poznato da s tom prilikom oslobađa nrgija. Kako struja, pri ovom ksprimntu, tč od anod ka katodi kroz lktrolit, to zbog priraštaja lktričn nrgij na račun hmijsk, trba očkivati pojavu lktromotorn sil u smjru struj. Na katodi s odvija hmijski procs koji zahtijva ulaganj rada. Prma tom, na katodi s lktrična nrgija prtvara u hmijsku. Elktrična sila j sada kontralktromotorna tj. usmjrna j protiv struj. Kako su ukupni hmijski procsi na anodi i katodi isti, samo suprotnog smjra (dkompozicija i kompozicija bakra), to mora biti lktromotorna sila na anodi jdnaka kontralktromotornoj sili na katodi. Spoljašnjim mjrnjm n mož s konstatovati postojanj ovih lktričnih sila. Razmotrimo sada slučaj kada lktrod nisu od istog matrijala. Hmijski procsi na anodi i katodi su različiti, n samo u pogldu hmijsk rakcij, ngo i u pogldu utroška i oslobađanja nrgij. Elktromotorn sil su zbog toga različit i kao rzultat s dobija rzultantna lktromotorna sila jdnaka njihovom algbarskom zbiru. ko s lktrod spolja spoj mtalnim provodnikom, kroz njga ć tći lktrična struja. Dakl, voltamtar sa različitim lktrodama prdstavlja izvor lktričn nrgij, okaraktrisan lktromotornom silom izvora i unutrašnjomm otpornošću izvora. Vlik problm kod ovakvih izvora pričinjavaju pojav "polarizacij", koja dovodi do smanjnja lktromotorn sil, i pojava "korozij" koja rlativno brzo "izjda" lktrod..9.1 kumulatori kumulatori su hmijski izvori lktričn nrgij, koji imaju važnu osobinu da su im hmijski procsi na lktrodama rvrzibilni. Kada s akumulator "isprazni" snabdjvajući potrošač lktričnom nrgijom, on s mož naknadno ponovo "napuniti" i vratiti u prvobitno stanj, što s postiž propuštanjm struj iz spoljnjg izvora kroz akumulator u suprotnom smjru. R G 0 V V Količina lktricitta koju j akumulator u stanju da oda prilikom pražnjnja naziva s kapacitt akumulatora i n mjri u kulonima (1C=1s) vć u vćim jdinicama amprčasovima (1h=3600C). Najčšć s korist olovni i alkalni akumulatori..9. Olovni akumulatori Kod olovnih akumulatora pozitivna ploča j od dioksida olova PbO, a ngativna od olova Pb. Elktrolit j razblažna sumporna kislina H SO 4. Hmijski procsi pri punjnju i pražnjnju akumulatora su složni, ali s grubo mogu izraziti sljdćim hmijskim rlacijama: PbO + H SO + Pb PbSO + H O 4 4 Eg Rg 4

5 Važno j napomnuti da s ispražnjnom akumulatoru smanjuj koncntracija sumporn kislin, ali s n smij dodavati sumporna kislina. Koncntracija ć s vratiti na potrbnu vrijdnost prilikom normalnog punjnja [V] a b t [h] Promjna napona akumulatora; a) Punjnj, b) Pražnjnj Pri punjnju napon s duž vrmna zadržava na vrijdnosti, V po ćliji. Kada napon počn naglo da rast, trba smanjiti struju punjnja, da burni hmijski procsi n bi ošttili ploč. Kada napon po ćliji prđ vrijdnost,4v punjnj trba prkinuti. Pri pražnjnju napon brzo padn na V po ćliji. Pri kraju pražnjnja napon opada naglo i trba voditi računa da nikad n padn ispod 1,8V po ćliji, inač bi moglo doći do nugodn sulfatizacij ploča. Razlika napona pri punjnju i pražnjnju s objašnjava djlimično padom napona u lktrolitu, koji s pri punjnju sabira sa lktromotornom silom =E+R, a pri pražnjnju oduzima od nj =E-R, a takođ i skundarnim rakcijama i povćanoj (odnosno smanjnoj) koncntraciji kislin oko ploča..9.3 lkalni -člični akumulatori -(Edisonov akumulator) Pozitivna ploča j od oksida nikla Ni O 3, a ngativna od žljza F. Elktrolit j 1% rastvor hidroksida kalijuma KOH. Hmijski procsi punjnja i pražnjnja su voma složni, ali s grubo mogu izraziti rlacijom: Ni O + KOH + F NiO + KOH + FO 3 Napon iznosi oko 1,5V po ćliji. On s mijnja pri punjnju i pražnjnju slično kao kod olovnih akumulatora. lkalni akumulatori su znatno skuplji od olovnih. Prdnost im j u dužm vijku trajanja, boljoj mhaničkoj izdržljivosti, manjoj spcifičnoj tžini, jdnostavnijm održavanju, manjm riziku od kvarova. man čličnih akumulatora trba ubrojiti, pord visok cijn, i nšto vći unutrašnji otpor i naglo gubljnj kapacitta pri tmpraturama manjim od nula stpni Clzijusa..10 Provođnj struj kroz gasov normalnim uslovima pritiska i tmpratur gasovi su izolatori, jr praktično n sadrž nosioc lktričn struj - ni slobodn lktron ni jon. Mđutim, pod odrđnim uslovima gasovi provod lktričnu struju, kada s mogu smatrati provodnim srdinama. Pri normalnim uslovima, atomi i molkuli gasa su lktrično nutralni. Da bi gas postao provodan, moraju s njgovi molkuli na nki način učiniti nalktrisanim (jonizovati). Pod uticajm jonizatora jdan ili viš lktrona napuštaju nutralni atom gasa i postaju slobodni lktroni, a ostatak atoma prtstavlja pozitivan jon. Jdan dio slobodnih lktrona apsorbuju postojani atomi gasa da bi popunili svoj lktronsk orbit, tako da oni postaju ngativni joni. Prma tom, jonizovani gas sadrži slobodn lktron, pozitivn i ngativn jon. Gas mož da provodi lktričnu struju samo ako sadrži jonizovan molkul. 5

6 Gas mož biti jonizovan različitim spoljnim uzrocima. Rntgnovi zraci i γ-zraci iz radioaktivnih tijla, kao i kosmički zraci, imaju osobinu da, u izvjsnoj mjri, jonizuju gas kroz koji prolaz. sto tako, gasovi s mogu jonizovati zagrijavanjm gasa, ili prisustvom usijanih mtala. ko s jonizovani gas nađ u lktričnom polju izmđu dvij lktrod, koj su vzan na izvor ms- E, doći ć do krtanja pozitivnih jona ka ngativnoj lktrodi katodi K, a ngativnih jona i slobodnih lktrona ka pozitivnoj lktrodi anodi. Na taj način s kroz gas izmđu lktroda obrazuj lktrična struja. Provodljivost gasa j utoliko vća ukoliko j vća njgova jonizovanost. Zakonitost provođnja struj kroz gasov razmotrićmo posmatranjm lmntarn zaprmin gasa dv, prsjka ds i dužin dl, sa zaprminskom gustinom ρ slobodnih nalktrisanja. Elmntarna količina nalktrisanja u tom prostoru ć biti: dq = ρ dv, dq = ρ ds dl Pošto s nalktrisanja slobodno krću, njihova brzina j: dl v =, dt Jačina struj u gasu bić: dq ρ ds dl di = = = ρ v ds dt dt a njna gustina J: ili u vktorskom obliku: di ρ v ds J = = = ρ v ds ds J = ρ v Posldnja rlacija pokazuj da j gustina konvkcion struj funkcija brzin kojom s nalktrisanja krću, a n jačin lktričnog polja, kao što j to bio slučaj kod mtala: K J = γ E s Karaktr provođnja struj kroz gasov, ili, kako s obično kaž, pražnjnj kroz gasov, zavisi od mnoštva faktora: od hmijsk prirod gasa i lktroda, od tmpratur i pritiska gasa, od oblika, dimnzija i mđusobnog položaja lktroda, od intnzitta lktričn struj itd. Prma tom, oblici gasnog pražnjnja su voma raznovrsni, a pražnjnj u gasu najčšć j praćno toplotnim, zvučnim i svjtlosnim fktima. Emitovanj lktrona iz mtala mož biti: trmojonsko, fotomisijom i skundarnom misijom. _ + E R r

7 Trmojonska misija nastaj pri zagrijavanju mtala na visok tmpratur. Tim s, lktronima u mtalu prdaj trmička nrgija, koja im omogućava da napust mtal. Povćanjm tmpratur povćava s i broj lktrona koji ga napuštaju. ko s u blizini zagrijanog mtala postavi anoda, slobodni lktroni ć s krtati prma njoj, stvarajući lktričnu struju. ko usijani mtal sadrži primjs alkalnih mtala, pri višim tmpraturama s, pord misij lktrona, javlja i misija jona, koji s nazivaju trmojonima. Mtal koji mituj lktron naziva s katodom ili mitorom, a lktroda koja ih sakuplja anodom ili kolktorom. Fotomisija j posljdica djstva svjtlosti na površinu mtala. Elktroni u mtalu povćavaju svoju nrgiju na račun nrgij svjtlosnog zraka koji pada na mtal. Dospijvajući na mtal, foton, jdnim dijlom svoj nrgij ( hν), vrši izlazni rad (, a ostatak nrgij fotona prlazi u i = Q i) kintičku nrgiju mitovanog lktrona. Prma tom, za fotolktrični fkt važi rlacija: h ν = W Q mv i + k = i + Skundarna misija j mitovanj lktrona kao posljdica bombardovanja matrijala lktronima, jonima ili atomima. Emisija lktrona zavisi od vrst matrijala, od nrgij i vrst primarnih čstica. Čstic koj udaraju u čvrsti matrijal nazivaju s primarnim čsticama, a lktroni koji napuštaju matrijal skundarnim lktronima. Mhanizmi provođnja struj kroz gasov, u thničkoj primjni, najviš s korist kod lktronskih cijvi, a u raznim primjnama korist s fkti lktričnog luka Elktrični luk Elktrični luk, ako s pojavi tamo gdj s n očkuj, mož biti vrlo šttan, pa stoga i npožljan. On n samo da razara izolaciju ngo, zbog vlik toplot, koja prati njgovu pojavu, topi sv mtaln dijlov na svom putu. Mđutim, čsto s lktrični luk izaziva namjrno, radi korišćnja njgov toplotn nrgij i nrgij zračnja. Elktrični luk s najčšć koristi za lktolučno zavarivanj mtala, za topljnj ruda i mtala u lktrolučnim pćima i za lučn lamp. Elktrični luk, koji s koristi u navdn svrh, ostvaruj s pri naponima od nkoliko dstina do nkoliko stotina volti. Koristi s trmolktronska misija usijan katod i trmojonizacija gasa (najčšć vazduha) izmđu lktroda. 7

8 Elktrod, koj mogu biti mtaln, u praksi s najčšć korist ugljn. Njihova važna osobina j da s n top, vć postpno sagorjvaju, mada luk daj vrlo jak toplotni i svjtlosni fkt. Najjači izvor svjtlosti i toplot j kratr na pozitivnoj ugljnoj lktrodi, čija tmpratura mož dostići vrijdnost do 4000 o C dok j tmpratura katod znatno niža (oko.500 o C). Na anodi s pojavljuj kratr, a na katodi, s javlja ispupčnj. Zbog toga s tokom rada anoda brž troši od katod i obično uzima dvostruk dbljin.. + E _ karaktristika lktričnog luka = + R R l 0 R L s l = R L R =R B B k 0 =f() L.11 Trmolktricitt talijanski fizičar Volta j, još god., uočio da s pri dodiru dva različita mtala mđu njima javlja mali lktrični napon. Ovaj napon s naziva kontaktni napon (kontaktna ms-a), a fkt s čsto naziva Voltin fkt. Ovaj napon j uslovljn prlazom lktrona provodnosti na mjstu kontakta iz jdnog mtala u drugi. S obzirom na njdnaku koncntraciju lktrona, iz mtala sa vćom koncntracijom prći ć vći broj lktrona u drugi mtal. Tako s u jdnom od mtala javlja višak pozitivnog, a u drugom višak ngativnog lktricitta, uslijd čga dolazi do kontaktn razlik potncijala. Pri prlasku lktrona iz jdnog mtala u drugi vrši s odrđni rad -izlazni rad. Da bi lktron pršao iz jdnog mtala u drugi njgova nrgija toplotnog krtanja mora biti vća od izlaznog rada i i = Q i zlazni napon j različit za svaki mtal. zlazni rad mjri s jdinicom lktron-volt (V) i iznosi: 1V = 1 6, C 1V = 1 6, J 8

9 ko s formira kolo od dva različita mtala (npr. bakra i gvožđa kao na slici), tada ćmo u kolu imati dvij kontaktn ms- suprotno usmjrn (u opoziciji), tako da u kolu nma struj. Cu Α 1 1 Θ Ε Θ Θ 1 Ε 1 Ε1 Ε Θ F E 1 =E Θ 1 =Θ Β E =E 1 Ovakav spoj dva različita mtala, prma tom, mož da služi kao izvor lktromotorn sil (trmolktromotorna sila TEMS-a) i naziva s trmolmnt (ili trmosprg). TEMS-a zavisi od vrst primjnjnih matrijala i razlik tmpratura spojva dva mtala i kod thničkih primjna iznos od nkoliko milivolti do nkoliko dstina milivolti. Trmolmnti su našli široku primjnu u mjrnju tmpratur. Kada s jdan od spojva zagrij ili rashladi, tako da ima tmpraturu različitu od drugog spoja, tada ć kroz kolo protći lktrična struja. Ovu pojavu j 181. god. konstatovao Zbk i naziva s Zbkov fkt, ili trmolktrični fkt. Francuski fizičar Pltij j utvrdio da j Zbkov fkt rvrzibilan. ko s kroz kolo sastavljno od dva različita mtala propusti struja, onda ć s spoj (1), koji bi pri zagrijavanju davao struju u istom smjru, sada hladiti, dok ć s drugi spoj () zagrijavati. Objašnjnj Pltijovog fkta, j sljdć: pri prlazu lktrona iz gvožđa u bakar u spoju (1) njihova s nrgija povćava, jr prlaz u mtal čiji j izlazni napon viši, što mož biti samo na račun nrgij dovdn spolja. Kako s ova nrgija n dovodi, troši s sopstvna toplota spoja, i spoj s zbog toga hladi. spoju () dšava s suprotno. ko j smjr struj u kolu suprotan, dšava s obrnuto; spoj (1) s zagrijava, a spoj () s hladi. Ovu toplotu trba razlikovati od toplot dobijn Džulovim fktom. Toplota uslijd ovog fkta zavisi od izlaznog napona, struj i njnog smjra. običnim uslovima, ova toplota j mnogo manja od džulovsk. Na osnovu trmodinamičkog razmatranja tada poznatih karaktristika trmosprga, Tomson j ksprimntalno pokazao da duž jdnog provodniku od istog matrijala postoji razlika lktričnog potncijala, ako duž tog provodnika postoji tmpraturna razlika. Ova pojava j nazvana Tomsonov fkt. To znači da ako izmđu dva kraja jdnog homognog provodnika postoji tmpraturna razlika tada ć izmđu ovih krajva postojati izvjsna ms-a -Tomsonova lktromotorna sila, koja j data sljdćim izrazom: ϑ ET = σ d ϑ ϑ1 gdj j: σ - Tomsonov koficijnt ( V/ 0 C) očimo da s Tomsonov fkt n mož koristiti za proizvođnj struj u zatvornom kolu. Jr, ako s zatvorno kolo od bakarn žic grij na jdnom kraju, a hladi na drugom, tada ć u dva dijla žic biti obrazovan dvij potpuno jdnak Tomsonov ms-, a suprotnih smjrova, tako da ć s uzajamno poništavati. Tomsonov fkt j rvrzibilan. 9