Elektrický prúd v kvapalinách a plynoch

Základy o elektrickom prúde - pozri otázku 15.

• nakresliť 3 obrázky zloženie molekúl v pevných, kvapalných a plynných látkach + vysvetliť, prečo je v plynoch najťažšie viesť el. prúd

** **

Vedenie el. prúdu v kvapalinách

Väčšina kvapalín v čistom stave sú izolanty ** **

elektrolyt - zlúčenina, ktorá obsahuje voľné ióny (napr. NaCl), ktoré sa môžu pohybovať a viesť el. prúd (pr. vodné roztoky kyselín, zásad a solí)

elektrolytická disociácia - Pri rozpúšťanie kyselín, solí a zásad vo vode dochádza k vzniku iónov pôsobením molekúl rozpúšťadla (vody). Je to dej, pri ktorom rozdelíme látku na jednotlivé ióny.

elektrolýza - dej, kedy kladné katióny putujú ku katóde (záporná elektróda) a záporné anióny putujú k anóde (kladná
elektróda) a mení sa tým na neutrálnej atómy. Dej vyvoláme pripojením el. zdroje k elektródam. El. pole, ktoré vznikne medzi elektródami, vyvolá usmernený pohyb iónov. Vylúčené látky môžu reagovať s elektródami alebo s elektrolytom.

• slúži na pokovovanie, aby materiály dlhšie vydržali (je alternatívou ochranného laku), alebo sa využíva v batériách (olovených) a v čistení kovov - vyplavia prímesi

To, či bude elektrolýza prebiehať, závisí na napätí zdroja. Napätie musí disociovať látky, až potom môže obvodom prechádzať prúd. Pre prúd, ktorý prechádza elektrolytom platí:

- nie je v tab

U _r je rozkladné napätie.

Čím väčšia je vzdialenosť elektród, tým väčší je odpor Þ klesá prúd. Čím viac sú elektródy ponorené do elektrolytu, tým väčší je prúd (väčšia účinná plocha).

• voltampérová charakteristika elektrolytického vodiče:

Ur .... polarizačný (rozkladné) napätie

Odpor elektrolýzy závisí:

1. na vzdialenosti elektród

2. na ponorenie elektród

3. na teplote

Faradayove zákony pre elektrolýzu

Katóda - Pri elektrolýze sa vždy vylučuje kov alebo vodík.

Anóda - zložitejšie - môžu sa na nej tiež vylučovať rôzne látky, môže ale dochádzať tiež na rozpúšťanie anódy.

Každá vylúčená molekula prijme z katódy a odovzdá anóde niekoľko elektrónov. K vylúčeniu jednej molekuly na katóde musí teda iónmi prijať n elementárnych nábojov e - jedna molekula sa vylúči nábojom

n ... oxidačné číslo (počet klad / záporných častíc)

Q = n × e (Q = N * e) - obaja nie sú v tab!

Pre Na ⁺ alebo Cl ^- je n = 1; pre Cu ²⁺ alebo O ^2- je n = 2 → Pre každý ión platí X ^{n +} alebo X ^{n -}

Prejde Ak povrchom elektródy celkový náboj Q = I × t, je počet vylúčených molekúl

Vynásobíme ak toto číslo hmotnosťou jednej molekuly

m ₀ = M _m / N _A

(M _m - mólová hmotnosť vylúčené látky, N _A - avogadrova konštanta = 6,022 × 10 ²³⁾

dostaneme celkovú hmotnosť vylúčenej látky:

F = N _A × e - Faradayova konštanta (udáva náboj, ktorým sa vylúči 1 mol jednomocného prvku): F = 9,65.10 ⁴ C × mol ^-1

Odvodený vzťah vyjadruje zákony, ktoré Faraday objavil v roku 1833:

1. Faradayov zákon:

A - elektrochemický ekvivalent, jednotka kg × C ^-1

Udáva množstvo látky vylúčenej prúdom 1 A za 1 s Þ definície ampéra:

Prúd 1 A vylúči za 1 s 1,118 g striebra.

**2. Faradayov zákon: **

Elektrolýzy sa využíva v metalurgii, pri elektrolytického pokovovania, galvanoplastice atď. ** **

---

galvanické články

• tvorený dvoma elektródami z rôznych kovov, medzi ktorými je umiestnená vodivá kvapalina - elektrolyt. Využíva chemickú energiu uvoľnenú pri reakcii kovových elektród s elektrolytom, ktorá sa premieňa na energiu elektrickú.

• Voltov článok - elektródy - Zn, Cu; elektrolyt - zriedená H ₂ SO ₄
• Suchý článok (monočlánok) - elektródy - Zn, C + zmes grafitu a burelu; elektrolyt - roztok salmiaku zahustený na gél (napr prídavkom škrobu); batérie = spojenie viac monočlánkov
• Akumulátor - je zariadenie, založené na vzniku elektrolyt. potenciálov, schopnosť akumulovať náboj nám vyjadruje kapacita. Najčastejšie sú olovené akumulátory. Na katóde redukciou vzniká čisté olovo a na anóde oxidáciou oxid olovičitý.

Môžeme ho nabíjať; elektrolyt - zriedená H ₂ SO ₄ → v autách, ďalej napr. NiCd, NiMH, Li-ion (pre elektronické účely - články do walkmanov, prenosných CD, MD prehrávačov, mobilných telefónov) Vybitý - elektródy sú pokryté H2SO4 Nabitý - Olovené elektródy, anóda pokrytá PbO2

Kapacita batérie [Ah] - Kapacitu 1AH má batéria, ktorá je schopná dodávať I 1A po 1 hod.

Elektrický oblúk

• plyny sú za bežných podmienok (20 C, 101 kPa) izolanty, pretože obsahujú neutrálne molekuly, ich vedenie zaistíme ionizáciou.

• ionizácie - dej, pri ktorom vonkajším zásahom docielime uvoľnenie elektrónov z molekuly (zvyšok molekúl sa správa ako kladne nabité častice - katión). Uvoľnené elektróny sa môžu pripájať k neutrálnym molekulám a vytvárať tak anióny.

ionizačná energia - Energia potrebná k rozštiepeniu molekuly [elektrónvolt (1 eV = 1,6 × 10 ^-19 J)] - tab, vzadu.

Súčasne s ionizáciou prebieha v plyne aj opačný dej, zvaný rekombinácie. Nesúhlasne nabité častice sa priťahujú a vytvárajú opäť neutrálne molekuly.

• prostriedok pre ionizáciu nazývame ionizátor. Aby sa elektróny uvoľnili, musíme dodať energiu - rôzne druhy žiarenia (UV), zahriatie plynu na vysokú teplotu, ióny alebo elektróny urýchlené el. poľom.

ionizácie nárazom

• pri dostatočnej energii sa elektrón uvoľní z obalu a dokáže nárazom na inú molekulu uvoľniť ďalšie elektróny (lavínová)

Ak sa ionizovaný plyn nachádza v el. poli medzi dvoma elektródami, vznikne el. prúd ako riadny pohyb katiónov k záporne nabité katóde, aniónov a elektrónov ku kladne nabité anóde (ióny, ktoré dorazia na elektródy, strácajú svoj náboj a mení sa v neutrálnej molekuly) ..

Elektrický oblúk sa nazýva elektrický výboj a je sprevádzaný svetelnými a zvukovými efektmi)

delíme na: samostatný a nesamostatný

In = nasýtený prúd, pri určitej hodnote napätia sa prúd nezvyšuje, pretože všetky voľné častice sú zachytené na elektródach, už neplatí Ohmov zákon.

Uz - zápalné napätie, dochádza k ionizácii nárazom

Ak je U <U _n, zanikne väčšina iónov rekombináciou skôr, než dorazí na elektródy

U <Uz - nesamostatný výboj - el. prúd prechádza iba za prítomnosti vonkajšieho ionizátora; prestane Ak ionizátor pôsobiť, prevládne rekombinácie nad ionizáciou a výboj ustáva

U> Uz ... napätia sa lavínovito zväčšuje, ionizácia prevláda nad rekombináciou a prúd rastie. Nie je potreba vonkajšej ionizátor, ióny vznikajú samovoľne -> SAMOSTATNÝ VÝBOJ

Ióny a elektróny sú urýchlené el. poľom natoľko, že pri náraze na neutrálnej molekulu ju ionizujú. Počet ionizovaných molekúl v plyne lavínovito narastá a preto narastá veľmi rýchlo aj prúd. Plyn vedie prúd bez prítomnosti ionizátora.

Veľkosť U _z závisí od tlaku plynu a na druhu plynu, za nižšieho tlaku zápalné napätie menšie.

plazma = vysoko ionizovaný plyn

Výboj pri atmosférickom tlaku

1. Oblúkový výboj - sprevádzaný vysokými teplotami, veľkým prúdom a malým Uz, dlhodobé výboje, veľká intenzita žiarenia (oblúkové zváranie, lampy, horské slnko, vysokotlakové ortuťové výbojky)

2. Iskrový výboj - veľký prúd, krátkodobé výboje, pri ktorých dochádza k jednorazovému vybitiu potenciálov (blesk, spaľovacie motory - sviečka). Na ochranu pred ničivými účinkami blesku slúži bleskozvod (= kovová tyč vodivo spojená so zemou, Prokop Diviš)

3. koróna (kríčková výboj) - vzniká v nehomogenním poli, okolo hrotov, rohov, drôtov, veľká intenzita. pr. koróna spôsobuje straty na vedeniach vysokého napätia pri zníženom tlaku (nižší zápalné napätie):

4. Doutnavý výboj

vo výbojke = sklenená trubica, ktorá obsahuje plyn o tlaku menším, než je tlak atmosférický

• prejavuje sa svietením, má pomerne nízke U _z a nízky prúd, nespotrebováva veľké množstvo el. energie

• u katódy - katódové doutnavé svetlo - využíva sa v krátkych výbojkách = dútnavky (využitie ako indikátor napätia / polarity)

• u anódy - anódový stĺpec - využíva sa v reklamných trubiciach a žiarivkách

žiarivka - výbojka plnená zmesou plynu argónu a pár ortuti. Pri výboji vzniká UV žiarenia, ktoré dopadá na steny výbojky, ktoré sú pokryté oxidy kovov a spôsobujú svetielkovanie (lumiflor).

Katódové žiarenie vzniká pri tlaku menšom, než 2 Par a pri vysokom napätí

katódové žiarenie

• tok elektrónov emitovaných priamo z katódy

vlastnosti:

1. šíri sa priamočiaro

2. vychyľuje sa v magnet. a elektr. poli

3. spôsobuje pri kontakte s látkou svetielkovanie

4. preniká tenkými materiály a rozptyľuje sa

použitia: v obrazovkách - osciloskop (lúč riadený el. poľom), televízie (lúč riadený mag. poľom)