Робота виходу

Якщо в металах є слабко зв'язані рухливі електрони, то природно виникає запитання - чому вони не виходять за межі металу? Ці електрони при звичайних температурах не виходять з металу в на­вколишній простір тому, що існують сили, які протидіють цьому виходу.

Електрони в металі рухаються з різними швидкостями, і той електрон, що має достатню кінетичну енергію, може вирватися з металу. Але тоді на цей електрон діятиме сила з боку індукованого позитивного заряду поверхні металу, притягуючи електрон назад у метал. Крім того, електрони, яким удалося вилетіти з металу, утворюють над його поверхнею електронну хмар­ку, густина якої швидко зменшується з відда­ленням від поверхні металу. В електронній хмарці встановлюється динамічна рівновага: одні електрони вириваються з металу, а інші поверта­ються назад.: Можна сказати, що поверхня металу й електронна хмарка утворюють два електричні шари, подібні до пластин зарядже­ного конденсатора. Товщина позитивного шару в металі становить кілька міжатомних відстаней.

Електронна хмарка заряджена негативно, а метал заряджений позитивно. Різниця потенціалів між електронною хмаркою і металом називається поверхневим стрибком потенціалу, або контактною різницею потенціалів між металом і навколишнім середовищем. Отже, для виходу електрона з металу повинна виконуватися робота проти сил затримуючого електричного поля біля поверхні металу.

Роботу, яку треба виконати, щоб перевести електрон з металу в навколишній простір, називають роботою виходу. Робота виходу електрона з металу дорівнює різниці потенціальних енергій електрона поза металом і всередині металу. Вона для різних металів неоднакова й залежить від стану поверхні металу (забруднення, слідів вологи) і особливо від домішок. Тому металеві катоди в електронних лампах виготовляють з домішками торію, барію, окислів (активовані катоди). При цьому робота виходу електрона зменшується.

2.6.2. КОНТАКТНА РІЗНИЦЯ ПОТЕНЦІАЛІВ. ЗАКОНИ ВОЛЬТА

Експериментальне встановлено, що коли привести в дотикання два різних (незаряджених) метали, то в місці контакту виникає різниця потенціалів, яка називається контактною різницею потен­ціалів. Вона залежить від хімічного складу металів і температури. У цьому полягає перший закон Вольта. При цьому один метал заряджається позитивно, а другий - негативно. Досліджуючи різні метали, А. Вольта склав ряд, в якому кожний попередній метал у місці контакту з наступним наелектризовується позитивно, а кожний наступний - негативно. Ось цей ряд:

Рис.2.14. Електрохімічний ряд напруг

У ньому кожний попередній метал має меншу роботу виходу, ніж наступний, і електрони переходять від металу з меншою роботою виходу до металу з більшою роботою

виходу. А. Вольта експеримен­тально встановив і другий закон, який полягає в тому, що коли послідовно скласти кілька різних металевих провідників при однакових температурах, то різниця потенціалів між крайніми провід­никами не залежить від хімічних властивостей проміжних провідників, а тільки від початкового і кінцевого.

Причин виникнення контактної різниці потенціалів дві: різна робота виходу електронів з металу і різна концентрація електронів провідності в металах.

2.6.3. ТЕРМОЕЛЕКТРИЧНІ ЯВИЩА

Розглянемо два контактних термоелектричних явища - Зеебека і Пельтьє.

1. Зеебек помітив, що коли в колі, складеному з двох різнорідних металів (термопара), контакти мають різну температуру, то в ньому виникає електрорушійна сила. Вона дістала назву термоелектрорушійної сили. Ви­никнення її пояснюється порушенням термо­динамічної рівноваги електронів провідності на контакті двох металів.

Термоелектрорушійна сила прямо пропорційна різниці темпе­ратур контактів. Проте трапляються випадки, коли залежність термо­електрорушійної сили від температури має складніший характер. Бувають випадки, коли термоелектрорушійна сила спочатку зростає, а потім спадає і може змінити знак на протилежний. Матеріали термопари записують у такій послідовності, щоб у гарячому спаї струм проходив від першого металу до другого. Напри­клад, у термопарі мідь - залізо струм у гарячому спаї проходить від міді до заліза; це означає, що мідь позитивна відносно заліза.

Щоб добути постійний струм, треба один спай весь час нагрівати, а другий - охолоджувати. У термоелементі утворена теплова енергія безпосередньо перетворюється в електри­чну. З точки зору другого принципу термодинаміки електричне поле разом з джерелом теплоти можна розглядати як теплову машину, в якій є нагрівник гарячого спаю з температурою Т₁, холодильник - спай з температурою Т_{2 ,} робоче тіло - електрони провідності.

Явище термоелектрики використовують для вимірювання темпе­ратур. Один спай термопари вміщують у середовище, температуру якого треба виміряти (наприклад, у горно), а інший - у середовище з відомою температурою. За величиною термо-ЕРС визначають температуру.

Для збільшення чутливості термопар використовують термо­стовпчики (або термобатареї) - систему послідовно з'єднаних термоелементів. Значно більшу термоелектрорушійну силу дає комбінація металів з напівпровідниками або із самих напів­провідників.

2. Електротермічний ефект Пельтьє в певному розумінні обернений до ефекту Зеебека. Він полягає в тому, що під час пропускання електричного струму через коло, складене з двох різних металів, один спай нагрівається, а другий охолод­жується.

Дослід показує, що кількість теплоти Пельтьє пропорційна величині заряду, який переноситься через спай.

, (2.39)

Де П – коефіцієнт Пельтьє

Ефект Пельтьє можна використати для утворення штучного холо­ду (за рахунок електричної енергії) в холодильних установках.

2.7. ЕЛЕКТРИЧНИЙ СТРУМ В РІДИНАХ І ГАЗАХ

План лекції

2.7.1. Електричний струм в рідинах

2.7.2.Електричний струм в газах

2.7.3. Поняття про плазму

2.7.4. Термоелектронна емісія

2.7.1. ЕЛЕКТРИЧНИЙ СТРУМ В РІДИНАХ

Деякі рідини дуже погано пропускають електричний струм (дистильована вода, гліцерин, гас тощо). Це пояснюється тим, що в таких рідинах мало носіїв струму - іонів. Іони являють собою атоми або групи атомів, в яких не вистачає або є надлишок електронів порівняно з нейтральними частинками. Якщо в рідині, наприклад у воді, розчи­нити сіль, кислоту або луг, то вона стає електропровідною. Це пояснюється тим, що під впливом розчинника молекули розчиненої речовини розпадаються (дисоціюють) на різнойменні іони.

У водних розчинах молекули кислот, солей і лугів взаємодіють з молекулами води, які являють собою досить витягнуті диполі. Моле­кулярні диполі води оточують полярні молекули кислот, солей або лугів і намагаються їх “розірвати” на іони. Після дисоціації молекули розчиненої речовини на іони останні обволікаються ди­польними молекулами розчинника. Цей процес називається сольватацією (для води гідратацією). Розчиняючись у воді, молекули кислот розпадаються на позитивні іони водню Н+ і негативні іони кислотного залишку; молекули лугів - на позитивні іони металу і негативні іони гідроксилу ОН-; солі - на позитивні іони металу і негативні іони кислотного залишку.

Вода також дисоціює на Н+ і ОН-, але в незначній кількості: при кімнатній температурі в тонні води дисоційовано близько 1,4 мг.

Поряд з дисоціацією внаслідок теплового руху і стикання різноймен­них іонів відбувається і зворотний процес - відновлення нейт­ральних молекул (молізація або рекомбінація).

Якщо в посудину з електролітом занурити два електроди й приєднати до них джерело струму, то між електродами виникне електричне поле. На хаотичний рух іонів накладається їх напрямлене переміщення: позитивні іони рухаються до катода - катіони, а негативні - до анода - аніони. На електродах іони нейтралізують свої заряди і перетворюються в нейтральні частинки. Проходження електрич­ного струму через електроліт супроводиться яви­щем електролізу - виділенням на електродах складових частин розчиненої речовини та інших речовин, які виникають внаслідок вторинних хімічних реакцій. Провідники, в яких проходжен­ня струму спричинює електроліз, називаються провідниками другого роду, або електролітами.

М.Фарадей експериментально встановив два закони електролізу.

Перший закон: маса речовини, що виділяється на якому-небудь електроді, прямо пропорційна величині заряду q, який переноситься через електроліт:

, (2.40)

де k - електрохімічний еквівалент. Електрохімічний еквівалент чи­сельно дорівнює масі речовини, яка виділяється в результаті електролізу зарядом 1 Кл.

Другий закон: електрохімічний еквівалент прямо пропорційний хімічному еквіваленту даної речовини:

, (2.41)

де F - число Фарадея; - хімічний екві­валент речовини, безрозмірна величина; А - атомна маса; Z - валентність.

З формул (2.40) і (2.41) дістаємо формулу об'єднаного закону Фарадея:

. (2.42)

Електроліз широко використовують у техніці. У гальваностегії за допомогою електролізу покривають шаром металу різні предмети (сріблення, золочення, хромування, платинування, цинкування), щоб прикрасити їх або запобігти корозії. Для цього анод беруть з того металу, яким хочуть покрити катод; в електроліті повинні бути іони цього самого металу. Наприклад, щоб посріблити предмет, анод беруть із срібла, а як електроліт використовують розчин АgNО₃.

У гальванопластиці електроліз використовують для виготовлення металевих відбитків рельєфних предметів (медалей, монет, музейних експонатів) тощо.

В електрометалургії для добування чистих металів використовується електроліз розплавлених солей. Цим способом добувають алюміній, магній, натрій, кальцій тощо.

Дата добавления: 2015-10-26