PHYSICS

Elektrický proud v kapalinách a plynech

May 25 2020 [Edit]

• Elektrický proud v kapalinách
  • Faradayovy zákony
    • 1. Faradayův zákon
    • 2. Faradayův zákon
  • Voltampérová charakteristika elektrolytického vodiče
  • Galvanické články
  • Využití elektrolýzy
• Elektrický proud v plynech
  • Ionizace
  • Rekombinace
  • Voltampérová charakteristika výboje
  • Samostatný výboj plynu za atmosférického tlaku
    • Obloukový výboj
    • Jiskrový výboj
    • Koróna
  • Samostatný výboj v plynu za sníženého tlaku
    • Doutnavý výboj
    • Katodové záření

---

Elektrický proud v kapalinách

• Elektrolýza – Látkové změny vyvolané při průchodu elektrického proudu elektrolytem na elektrodách
  • Katoda – Spojená se zápornou svorkou zdroje napětí
  • Anoda – Spojena s kladnou svorkou zdroje napětí
• Elektrolyty – Roztoky kyselin ($H_{2}SO_{4}$), zásad (NaOH), solí (NaCl) a jejich taveniny, které vedou elektrický proud, vodivost elektrolytu způsobují kladné a záporné ionty (kationty a anionty)

• Neelektrolyty – Látky, které se ve vodném roztoku nebo tavenině neštěpí na volně pohyblivé ionty, a proto nevedou elektrický proud

• Elektrolytická disociace – Rozpad látky na ionty
  • Disociace kyseliny: $H_{2}SO_4 \rightarrow 2H^{+} + SO_{4}^{2–}$
  • Disociace zásady: $KOH \rightarrow K^+ + OH^-$
  • Disociace soli: $NaCl \rightarrow Na^+ + Cl^{–}$

Příklad elektrolýzy

• Elektrolýza $CuSO_{4} * 5H_{2}O$ síranu měďnatého (modré skalice)
  • Katoda (uhlíková) – Kationty $Cu^{2+}$ přijímají dva elektrony, a vylučují se jako čistá (neutrální) měď
  • Anoda (měděná) – anionty $SO_{4}^{2-}$ reagují s materiálem anody (mědí) a vytvářejí nové molekuly $CuSO_{4}$. Z anody přechází do roztoku právě tolik atomů mědi, kolik se jich vylučuje na katodě a koncentrace roztoku se nemění

Při elektrolýze se na katodě vždy vylučuje vodík nebo kov. Na anodě se také může vylučovat látka (kyslík v Hofmannově přístroji), může však také docházet jen k rozpouštění anody.

Faradayovy zákony

1. Faradayův zákon

Hmotnost $m$ vyloučené látky je přímo úměrná náboji $Q$, který prošel elektrolytem.

$$m = A.Q = A.I.t$$

• $A$ [kg.C$^{-1}$] - Elektrochemický ekvivalent látky, konstanta úměrnosti, která je pro danou látku charakteristická
• $Q$ - Náboj
• $I$ - Proud procházející elektrolytem
• $t$ - Čas, po který proud procházel elektrolytem

2. Faradayův zákon

Elektrochemický ekvivalent látky vypočteme, jestliže její molární hmotnost vydělíme Faradayovou konstantou a počtem elektronů potřebných k vyloučení jedné molekuly.

$$A = \frac{M_{m}}{F.z}$$

• $M_{m}$ - Molární hmotnost látky
• $F$ - Faradayova konstanta, má hodnotu 9,64.10$^{4}$ mol$^{-1}$
• $Z$ - Počet elementárních částic potřebných k vyloučení atomu z elektrolytu

Voltampérová charakteristika elektrolytického vodiče

Vezměme si jako příklad roztok $CuSO_{4}$. Vložíme do tohoto roztoku dvě měděné elektrody, které budou nabité. Při zvyšování napětí $U$ nám bude konstantně růst i proud $I$, platí tedy Ohmův zákon:

$$I = \frac{U}{R}$$

• $R$ - Odpor

Pokud si však vezmeme roztok $H_{2}SO_{4}$ a platinové elektrody, Ohmův zákon zde platí až po překročení tzv. rozkladného napětí $U_r$.

$$I = \frac{U-U_{r}}{R}$$

Pro odpor elektrolýzy platí:

$$R = \rho .\frac{l}{S}$$

• $\rho$ - Měrný elektrický odpor (rezistivita), se stoupající teplotou klesá, neboť se snižuje vnitřní tření brzdící pohyb iontů v elektrolytu
• $l$ - Délka vodiče
• $S$ - Příčný průřez vodiče

Galvanické články

Galvanický článek je tvořený dvěma elektrodami z různých kovů, mezi kterými je umístěn elektrolyt. Využívá chemickou energii uvolněnou při reakci kovových elektrod s elektrolytem, která se přeměňuje na energii elektrickou.

• Voltův článek​ – Nejjednodušší článek, tvoří ho zinková(-) a měděná(+) elektroda ponořená do zředěné kyseliny sírové, elektromotorické napětí mezi elektrodami je 1,1 V

• Suchý článek​ (monočlánek) - Tvoří ho zinková nádoba a uhlíková tyčinka, obklopená směsí burelu a koksu, elektrolytem je roztok salmiaku zahuštěný škrobem U = 1,5 V

• Akumulátor - Galvanický článek, který se dá opětovně nabíjet, je založen na vzniku elektrických potenciálů elektrod po proběhnutí vratných chemických dějů

Využití elektrolýzy

• V elektrometalurgii k získávání kovů z roztoků (hliník)
• V galvanostegii k pokovování
• V galvanoplastice k vytváření odlitků
• K výrobě elektrolytického kondenzátoru

---

Elektrický proud v plynech

• Plyny jsou tvořeny elektricky neutrálními molekulami, proto za běžných teplot a tlaků jsou dobrými elektrickými izolanty
• Aby mohl plyny procházet elektrický proud, musí plyn obsahovat volné částice s nábojem, a musí být v elektrickém poli

Ionizace

Plyny se stávají elektricky vodivými, působením plamene nebo zářením (ionizátory). Tím se molekuly plynu rozštěpí na elektron a kladný iont (kationt), elektrony se mohou zachytit na neutrálních molekulách a vzniknou záporné ionty (anionty). Energie potřebná k uvolnění elektronů se nazývá ionizační energie.

Rekombinace

Probíhá současně s ionizací uvnitř plynu, je to děj opačný k ionizaci. Nesouhlasně nabité částice se navzájem přitahují a vytvářejí opět neutrální molekuly. Nachází-li se ionizovaný plyn mezi nabitými deskami (elektrodami), dochází k pohybu iontů. Kationty jdou na katodu a anionty na anodu. Ty pak na elektrodách ztrácejí svůj náboj a stávají se neutrálními atomy.

Voltampérová charakteristika výboje

Při napětí (0 - $U_{n}$) převládá rekombinace, tzn. slučování elektronů s neutrálními molekulami, platí tedy Ohmův zákon (počet iontů, které předají náboj elektrodám, je přímo úměrný napětí).

Při napětí ($U_{n}$ - $U_{z}$) se velká část elektronů nestihne rekombinovat (kvůli vysoké rychlosti) a doletí k anodě samostatně. V tento okamžik je mezi elektrodami nasycený plyn (Ionizátor už nemá dostatek energie na štěpení nových částic).

Při překročení napětí $U_{z}$ již není k pohybu iontů potřeba žádný ionizátor. Ionty se pohybují tak rychle, že jejich kinetická energie při srážce s molekulou stačí na rozštěpení této molekuly. Při tomto stavu vzniká tzv. ​samostatný výboj.

Plyn, ve kterém probíhá samostatný výboj se nazývá ​plazma,​ neboli vysoce ionizovaný plyn.

Samostatný výboj plynu za atmosférického tlaku

Obloukový výboj

• Zdroj světla - výbojky (sodíkové, xenonové, rtuťové)
• Probíhá při napětí kolem desítek voltů

Jiskrový výboj

• Krátkodobý
• Mezi dvěma nabitými deskami dojde k vyrovnání napětí (přeskočí jiskra).
• Tento děj je doprovázen zvukovým efektem
• Probíhá při napětí až miliony voltů
• Blesk​- vyrovnání napětí mezi mrakem a zemi, nebo dvěma mraky

Koróna

• Trsovitý výboj
• Vzniká v nehomogenním elektrickém poli
• Například okolo drátů, hran a hrotů s vysokým potenciálem
• Eliášův oheň (příklad koróny) - Akustický a optický jev vyvolaný vybitím statické elektřiny. Při silných bouřích, ztráty elektrické energie v okolí drátů vysokého napětí

Samostatný výboj v plynu za sníženého tlaku

Doutnavý výboj

• Vzniká mezi elektrodami ve výbojové trubici za sníženého tlaku
• Doutnavky (výbojky plněné neonem) - Zdroj světla s malou spotřebou. Používají se, jako kontrolní světla (např. u rychlovarné konvice)
• Reklamní trubice (dnes už se používají led osvětlení)

Katodové záření

• Probíhá ve výbojové trubici za sníženého tlaku a vysokého napětí