мощностей на отдельных участках цепи.
Работа электрического поля приводит к нагреванию проводника, если на
участке цепи под действием электрического поля не совершается механическая
работа и не происходят химические превращения веществ. Поэтому энергия
(количество теплоты), выделяемая на данном участке цепи за время t, равна
работе электрического тока:
Q=A
Количество теплоты, выделяющееся проводником при нагревании его током,
определяют по закону Джоуля-Ленца:
Q = I2 Rt или
Q=I *U * t
Этот закон был установлен экспериментально английским ученым Джеймсом
Джоулем (1818-1889) и русским ученым Эмилием Христиановичем Ленцем
(1804—1865) и сформулирован следующим образом.
Количество теплоты, выделяемое проводником с током, равно произведению
квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени прохождения тока по
проводнику.
При последовательном соединении проводников с сопротивлением R1 и R2
количество теплоты, выделенное током в каждом проводнике, прямо
пропорционально сопротивлению этих проводников:
Q1/Q2 =R1/R2, т.к. I1 = I2 при последовательном соединении
Количество теплоты, выделенное током в параллельно соединенных двух
участках цепи без ЭДС с сопротивлениями 2^ и И^, обратно пропорционально
сопротивлению этих участков:
Q1/Q2 =R1/R2, т.к. U1 = U2 при параллельном соединении
Электрический ток в металлах.
Прохождение тока через металлы (проводники I рода) не сопровождается
химическим изменением, следовательно, атомы металла не перемещаются вместе
с током. Согласно представлениям электронной теории, положительно
заряженные ионы (или атомы) составляют остов металла, образуя его
кристаллическую решетку. Электроны, отделившиеся от атомов и блуждающие по
металлу, являются носителями свободного заряда. Они участвуют в хаотическом
тепловом движении. Эти свободные электроны под действием электрического
поля начинают перемещаться упорядоченно с некоторой средней скоростью.
Таким образом, проводимость металлов обусловлена движением свободных
электронов. Экспериментальным доказательством этих представлений явились
опыты, выполненные впервые в 1912 г. советским академиком Леонидом
Исааковичем Мандельштамом (1879-1944) и Николаем Дмитриевичем Папалекси
(1880-1947), но не опубликованные ими. Позже в 1916 г. американские физики
Т.Стюарт и Ричард Чейс Толлин (1881-1948) опубликовали результаты своих
опытов, оказавшихся аналогичными опытам советских ученых.
Концы проволоки, намотанной на катушку, припаивают к двум
изолированным друг от Друга металлическим дискам. При помощи скользящих
контактов (щеток) к концам дисков присоединяют гальванометр.
Катушку приводят во вращение, а затем резко останавливают. Если
предположить, что в металле есть свободные заряды, то после резкой
остановки катушки свободные заряженные частицы будут двигаться некоторое
время относительно проводника по инерции. Следовательно, в катушке
возникнет электрический ток, который из-за сопротивления проводника будет
длиться небольшое время. Направление этого тока позволит судить о знаке тех
частиц, которые двигались по инерции. Так как возникающий ток зависит от
величины и массы зарядов, то этот опыт позволяет не только предположить
существование в металле свободных зарядов, но и определить знак зарядов, их
массу и величину (точнее, определить удельный заряд — отношение заряда к
массе).
Опыт показал, что после остановки катушки в гальванометре возникает
кратковременный электрический ток. Направление этого тока говорит о том,
что по инерции движутся отрицательно заряженные частицы. Измерив величину
заряда, переносимого этим кратковременным током через гальванометр, удалось
определить отношение величины свободных зарядов к их массе. Оно оказалось
равным е/т = 1,8 • 1011 Кл/кг, что совпадает со значением такого отношения
для электрона, найденным ранее другими способами.
Итак, опыт показывает, что в металлах имеются свободные электроны,
упорядоченное движение которых создает в металлах электрический ток.
Под влиянием постоянной силы со стороны электрического поля электроны в
металле приобретают определенную скорость упорядоченного движения, которая
является постоянной. Упорядоченное движение электронов в металле можно
рассматривать как равномерное движение, т.к. со стороны ионов
кристаллической решетки на них действует некоторая тормозящая сила — при
столкновениях с ионами свободные электроны передают им кинетическую
энергию, приобретенную при свободном пробеге под действием электрического
поля. Следовательно, средняя скорость упорядоченного движения электронов
пропорциональна напряженности электрического поля в проводнике v см Е.
Учитывая связь напряженности и разности потенциалов на концах проводника (Е
= U/d), можно сказать, что скорость движения электронов пропорциональна
разности потенциалов на концах проводника v ~ U.
От скорости упорядоченного движения частиц зависит сила тока в
проводнике: I = q0nv S, поэтому сила тока пропорциональна разности
потенциалов на концах проводника I ~ U, что дает качественное объяснение
закона Ома на основе электронной теории проводимости металлов.
Нагревание проводника при прохождении по нему постоянного тока можно
объяснить тем, что кинетическая энергия электронов передается при
столкновении ионов кристаллической решетки.
Количественную теорию движения электронов в металле можно построить на
основе законов квантовой механики, классическая механика Ньютона
неприменима для описания этого движения.
Электрический ток в электролитах. Закон электролиза
(закон Фарадея).
Растворы, проводящие электрический ток, называются электролитами. Ток
в электролите обусловлен движением положительных и отрицательных ионов,
т.е. осуществляется ионной
проводимостью.
Электролитами являются растворы кислот, щелочей и солей, а также
расплавленные соли. Электролиты иначе называют проводниками II рода
(проводники с ионной проводимостью). Прохождение тока в электролитах
связано с переносом вещества.
Ионами называют атомы или молекулы, потерявшие или присоединившие к
себе один или несколько электронов. Положительно заряженные ионы называют
иначе катионами (ионы металлов в растворах солей, водорода в растворе
кислот), а отрицательно заряженные — анионами (ионы кислотных остатков и
гидроксильной группы ОН~).
Пластины, создающие электрическое поле в электролите, называют
электродами. Электрод, который соединен с положительным полюсом источника
тока, называется анодом, а электрод, соединенный с отрицательным полюсом, —
катодом. Возникновение ионов в электролитах объясняется процессом
электролитической диссоциации — распадом молекул растворенного вещества на
положительные и отрицательные ионы под действием растворителя. Молекулы
растворяемых веществ состоят из взаимосвязанных ионов противоположного
знака, которые удерживаются друг около друга электрическими силами
притяжения.
Взаимодействие этих молекул с полярными молекулами растворителя — воды
— приводит к уменьшению силы взаимодействия притяжения ионов в молекулах
(диэлектрическая проницаемость воды равна 81). При хаотическом тепловом
движении молекул растворенных веществ и растворителей происходят их
столкновения, которые приводят к распаду молекул на отдельные разноименно
заряженные ионы.
Степенью диссоциации, а называют долю молекул растворенного вещества,
распадающихся на ионы, т.е. это отношение числа молекул п, диссоциировавших
на ионы, к общему числу молекул растворенного вещества N
Степень диссоциации зависит от температуры, диэлектрической
проницаемости растворителя и концентрации электролита. При повышении
температуры степень диссоциации возрастает, т.к. тепловое движение
способствует разрыву молекул на ионы и, следовательно, концентрация ионов
увеличивается. Чем больше диэлектрическая проницаемость Ј растворителя, тем
выше степень диссоциации, поскольку сила взаимодействия ионов в молекуле
электролита в растворе уменьшена bЈ раз.
Ионы разных знаков могут объединяться (рекомбинировать) в нейтральные
молекулы при тепловом хаотическом движении ионов в растворе. В результате в
растворе при неизменных условиях устанавливается динамическое равновесие
между процессами электролитической диссоциации и рекомбинации ионов, при
котором число молекул, распадающихся на ионы в единицу времени, равно числу
пар ионов, которые за это время воссоединяются в нейтральные молекулы- Ионы
в электролитах движутся хаотически до тех пор, пока в жидкость не
опускаются электроды. Тогда на хаотическое движение ионов накладывается их
упорядоченное движение к соответствующим электродам. В жидкости при этом
возникает электрический ток.
Прохождение тока через электролит сопровождается выделением на
электродах составных частей растворенного вещества — электролизом.
Положительно заряженные ионы (катионы) движутся к катоду и приобретают на
этом электроде недостающие электроны. Отрицательно заряженные ионы (анионы)
отдают аноду лишние электроны. Таким образом, на аноде происходит реакция
окисления, а на катоде — восстановления.
Электролизом называют процесс выделения на электродах веществ, связанный с
окислительно-восстановительными реакциями.
Количественные характеристики электролиза определяются законами электролиза
(законами Фарадея).
Первый закон электролиза (первый закон Фарадея)
Масса вещества, выделившегося на электроде за время Д? при прохождении