По величине электропроводности все вещества условно делятся на проводники, полупроводники и диэлектрики
Для проводников характерна большая концентрация свободных носителей заряда: электронов, или ионов. Поэтому их электропроводность велика, а удельное сопротивление мало (10 -9 10 -7 ), в то время как для диэлектриков значение этой величины составляет ( 108 – 1018) . Рис.1.
В узлах кристаллической решетки металла находятся положительные ионы, между которыми спорядочно движутся освободившиеся от связи с атомами “ cвободные” электроны (Рис.1). В проводниках при наличии электрического поля происходит упорядоченное движение свободных электронов между узлами кристаллической решётки, которое называется электрическим током. Количественной характеристикой электрического тока является сила тока – величина, равная заряду, прошедшему через поперечное сечение проводника за единицу времени , (1) где Δq- заряд, прошедший через поперечное сечение проводника, Δt- время его прохождения. За направление электрического тока принято направление движения положительных зарядов. Упорядоченное движение свободных электронов в металле непрерывно тормозится, вследствие их столкновений с ионами решетки. Этим обусловлено электрическое сопротивление проводника R, которое зависит от материала проводника, его размеров и температуры , (2)
Условием существования электрического тока в проводнике является наличие на его концах разности потенциалов (φ1—φ2) - напряжения. Согласно закону Ома : сила тока в проводнике прямо пропорциональна напряжению на его концах и обратно пропорциональна сопротивлению проводника . (3) том случае, когда цепь замкнута на клеммах источника тока , закон Ома имеет вид: , где ε - ЭДС источника тока, r– внутреннее сопротивление источника тока, R – сопротивление нагрузки.
Сопротивлением называется величина, характеризующая противодействие проводника электрическому току. Сопротивление зависит от формы, размеров проводника, его температуры и вещества, из которого он изготовлен. Единицей измерения сопротивления является (Ом). Для однородного цилиндрического проводника , (8) где l - длина проводника, S - площадь поперечного сечения, ρ- удельное сопротивление. Удельное сопротивление – величина численно равная сопротивлению данного проводника единичных размеров. Удельное сопротивление зависит от вещества, из которого изготовлен проводник и его температуры ρ= ρ0(1+αt) , (9) Рис.3 Рис.4 сопротивление при t0=00С , α- температурный коэффициент сопротивления. Возрастание сопротивления металла с увеличением температуры (Рис.4) объясняется на основе изложенных выше представлений об электронной проводимости металлов. С возрастанием температуры растет скорость хаотического движения электронов υе, а значит уменьшается время τ(см.1) между столкновениями электрона с иономи решетки. При неизменной разности потенциалов это приведет к уменьшению средней скорости упорядоченного движения υср. (см.4) (электроны не успеют “разогнаться”). Следовательно, уменьшается и сила тока в проводнике, а это означает увеличение сопротивления проводника. Подставив в формулу (8) значение ρ из (9) получим выражение для определения сопротивления R при температуре t: , (10) Или . (11) где R0- сопротивление данного проводника при t0=0 0C . Количество теплоты выделяет постоянный электрический ток на участке цепи выражается законом Джоуля-Ленца: Q=I2Rt В том случае, когда цепь замкнута на клеммах источника тока , закон Ома имеет вид: , где ε - ЭДС источника тока, r– внутреннее сопротивление источника тока, R – сопротивление нагрузки. Подставляя числовые значения из условия задачи, определяют неизвестные параметры системы. Проводники могут соединяться последовательно (Рис.5), или параллельно (Рис. 6). При последовательном соединении: R = R1 + R2, U = U1 + U2 , (6) I = I1 = I2.
При параллельном соединении:
,
U=U1=U2 , I=I1+I2.
Электролитами принято называть проводящие среды, в которых протекание электрического тока сопровождается переносом вещества. Носителями свободных зарядов в электролитах являются положительно и отрицательно заряженные ионы. К электролитам относятся многие соединения металлов с металлоидами в расплавленном состоянии, а также некоторые твердые вещества. Однако основными представителями электролитов, широко используемыми в технике, являются водные растворы неорганических кислот, солей и оснований. Прохождение электрического тока через электролит сопровождается выделением веществ на электродах. Это явление получило название электролиза. Электрический ток в электролитах представляет собой перемещение ионов обоих знаков в противоположных направлениях. Положительные ионы движутся к отрицательному электроду (катоду), отрицательные ионы – к положительному электроду (аноду). Ионы обоих знаков появляются в водных растворах солей, кислот и щелочей в результате расщепления части нейтральных молекул. Это явление называется электролитической диссоциацией. Например, хлорид меди CuCl2 диссоциирует в водном растворе на ионы меди и хлора: При подключении электродов к источнику тока ионы под действием электрического поля начинают упорядоченное движение: положительные ионы меди движутся к катоду, а отрицательно заряженные ионы хлора – к аноду (рис 4.15.1). Достигнув катода, ионы меди нейтрализуются избыточными электронами катода и превращаются в нейтральные атомы, оседающие на катоде. Ионы хлора, достигнув анода, отдают но одному электрону. После этого нейтральные атомы хлора соединяются попарно и образуют молекулы хлора Cl2. Хлор выделяется на аноде в виде пузырьков. Во многих случаях электролиз сопровождается вторичными реакциями продуктов разложения, выделяющихся на электродах, с материалом электродов или растворителей. Примером может служить электролиз водного раствора сульфата меди CuSO4 (медный купорос) в том случае, когда электроды, опущенные в электролит, изготовлены из меди. Диссоциация молекул сульфата меди происходит по схеме Нейтральные атомы меди отлагаются в виде твердого осадка на катоде. Таким путем можно получить химически чистую медь. Ион отдает аноду два электрона и превращается в нейтральный радикал SO4 вступает во вторичную реакцию с медным анодом:
Образовавшаяся молекула сульфата меди переходит в раствор. Таким образом, при прохождении электрического тока через водный раствор сульфата меди происходит растворение медного анода и отложение меди на катоде. Концентрация раствора сульфата меди при этом не изменяется.
Закон электролиза был экспериментально установлен английским физиком М. Фарадеем в 1833 году. Закон Фарадея определяет количества первичных продуктов, выделяющихся на электродах при электролизе: Масса m вещества, выделившегося на электроде, прямо пропорциональна заряду Q, прошедшему через электролит:
Величину k называют электрохимическим эквивалентом. Масса выделившегося на электроде вещества равна массе всех ионов, пришедших к электроду: Здесь m0 и q0 – масса и заряд одного иона, – число ионов, пришедших к электроду при прохождении через электролит заряда Q. Таким образом, электрохимический эквивалент k равен отношению массы m0 иона данного вещества к его заряду q0. Так как заряд иона равен произведению валентности вещества n на элементарный заряд e (q0 = ne), то выражение для электрохимического эквивалента k можно записать в виде Здесь NA – постоянная Авогадро, M = m0NA – молярная масса вещества, F = eNA – постоянная Фарадея.
Постоянная Фарадея численно равна заряду, который необходимо пропустить через электролит для выделения на электроде одного моля одновалентного вещества. Закон Фарадея для электролиза приобретает вид:
Явление электролиза широко применяется в современном промышленном производстве.
Активные электрические свойства биологических объектов заключаются в том, что в процессе их жизнедеятельности, в них возникают не скомпенсированные электрические заряды, которые в окружающем пространстве создают электрические поля. Эти поля, по отношению к биообъекту, называются внешними. Общеизвестно, что электрическое поле бесконечно в пространстве, хотя с увеличением расстояния от заряда, создающего поле, оно ослабляется. Проще всего оценить величину внешних электрических полей можно, измерив разность потенциалов (напряжение) между двумя точками тела человека, как правило, наиболее удобных для размещения электродов. Такие потенциалы называются биопотенциалами действия органов или тканей. Графическую запись этих биопотенциалов с помощью устройств регистрации называют электрограммой, сокращенно ЭГ. Отведение биопотенциалов подчиняется закономерностям отведения биопотенциалов в объемном проводнике. Если источник ЭДС (клетка) погружен в объемный проводник (проводник второго рода), каким является мозг или другие ткани организма, а отводящий электрод представляет собой точку, находящуюся в этом проводнике, то принцип отведения значительно отличается от отведения, когда электроды расположены на поверхности нервного или мышечного волокна. При отведении с поверхности, когда оба электрода располагаются непосредственно возле источника, разность потенциалов между электродами будет отсутствовать до тех пор, пока несущий отрицательный заряд участок возбуждения не окажется под одним из электродов. В объемном проводнике, электрическое поле существует в среде все время, пока находящаяся в нем клетка активна. Расположенные в этой среде электроды будут при любом положении регистрировать активность источника. Меняющаяся разность потенциалов будет регистрироваться до тех пор, пока возбуждение проходит по волокну. При регистрации непосредственно с поверхности нервного волокна биопотенциалы возникают только при прохождении области возбуждения под электродом. Примером такого вида регистрации может быть ЭКГ, ЭЭГ, ЭМГ, ЭЭГ и другие. Все эти виды электрографии являются частными случаями записи биопотенциалов в объемном проводнике. Суммарный потенциал создает изменяющееся по напряженности электрическое поле, которое в объемном проводнике регистрируется в виде изменяющихся по величине биопотенциалов. Они имеют определенную форму, частоту, зависимую от функции органов. Отклонение параметров биопотенциалов от нормы при различных заболеваниях может служить объективными показателями для диагностики. Направленное движение электрических зарядов вызывает сложные изменения в биологических средах, что ведет к определенным ответным реакциям. В действии постоянного тока на организм большое значение имеет электропроводность тканей, зависящая от их влажности. Сухая кожа обладает сопротивлением в десятки тысяч ом; тонкая, нежная, особенно влажная, а также поврежденная кожа лучше проводит постоянный ток. Электропроводность других сред и тканей организма гораздо больше. Наибольшей электропроводностью обладают спинномозговая жидкость, сыворотка крови, несколько меньшей - мышцы и цельная кровь. Значительная величина сопротивления кожи приводит к тому, что во время действия постоянного тока на организм почти все напряжение, подводимое к электродам, приходится на кожу, на внутренние же ткани приходится относительно малый потенциал.
Популярное: Как вы ведете себя при стрессе?: Вы можете самостоятельно управлять стрессом! Каждый из нас имеет право и возможность уменьшить его воздействие на нас... Почему стероиды повышают давление?: Основных причин три... Почему люди поддаются рекламе?: Только не надо искать ответы в качестве или количестве рекламы... ©2015-2024 megaobuchalka.ru Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. (819)
|
Почему 1285321 студент выбрали МегаОбучалку... Система поиска информации Мобильная версия сайта Удобная навигация Нет шокирующей рекламы |