Гальванические элементы

При погружении металла в электролит наблюдается их взаимная электризация и между ними устанавливается контактная разность потенциалов: металл заряжается отрицательно, жидкость – положительно. Это объясняется электролитической упругостью растворения металлов – способностью металлов переходить в раствор в виде ионов.

Электроны, принадлежавшие атомам металла, остаются в исходном металле и сообщают ему отрицательный заряд:

Zn®Zn²⁺                +           2e^-

(переходит в раствор) (остаются в металле)

Прошедшие в раствор ионы металла удерживаются возле металлической пластины силами притяжения к оставшимся в металле электронам. Вдоль поверхности металлической пластинки образуется двойной электрический слой из электронов и ионов.

Металл заряжается отрицательно, раствор – положительно. Переход ионов из металла в раствор продолжается до тех пор, пока между металлом и раствором не возникнет поле, достаточное для того, чтобы воспрепятствовать дальнейшему «растворению» металла. Металл и раствор, в который он погружен, представляют собой полуэлемент; несмотря на наличие разности потенциалов и электропроводность всех своих составных частей, «полуэлемент» не дает электрического тока, так как все здесь находится в состоянии равновесия.

Рассмотрим два полуэлемента – медь в растворе медного купороса и цинк в растворе цинкового купороса, разделенные пористой перегородкой. Соединим цинковую и медную пластинки какой-либо металлической проволокой. Цинк имеет заметно бóльшую упругость растворения, чем медь, поэтому цинковая пластинка приобретает более сильный отрицательный заряд, чем медная.

Электроны с цинковой пластинки переместятся по проволоке на медную. В результате нарушится равновесие в двойном слое цинковой пластинки; часть образующих его ионов цинка устремится в раствор. Точно так же нарушится равновесие в двойном слое медной пластинки, отрицательный заряд которой усилился за счет электронов, прибывших из цинка. Здесь, наоборот, часть ионов меди, образующих двойной слой, соединится с избыточными электронами и осядет на пластинку уже в виде атомов.

Однако указанными процессами равновесие не будет восстановлено. «Двойной слой» цинка разрушен.Цинк стремится восстановить его, посылая в раствор новые ионы, но он не в состоянии удержать эти ионы близ своей поверхности, так как электроны, которые были связаны с этими ионами силами притяжения, непрерывно будут удаляться в медную пластинку, где они нейтрализуют прибывающие из раствора ионы меди. Так будет продолжаться до тех пор, пока либо не растворится весь цинк, либо не израсходуются все ионы меди. В течение процесса раствор в цинковомполуэлементе обогащается положительными ионами, а в медном – обедняется ими. Вследствие этого раствор должен был бы получить в одной части положительный, а в другой – отрицательный заряд.

На самом деле этого не происходит, так как одновременно с движением электронов по проволоке от цинкового электрода к медному в растворе от медного электрода к цинковому движутся через пористую перегородку отрицательные ионы. В описанном гальваническом элементе происходит превращение цинка в сульфат цинка, а медь осаждается из раствора сульфата меди:

Zn + CuSO₄ = Cu + ZnSO₄

Напряжение на полюсах разомкнутого гальванического элемента (электродвижущая сила) не зависит от его геометрических свойств (величина и форма электродов, объемы омывающих электроды жидкостей, способ их разобщения), а определяется химической природой материалов, взятых для электродов и электролитических растворов, а также концентрацией растворов (E» 1,1 В).

Топливный элемент

Топливной элемент (ТЭ) - электрохимический генератор, устройство, обеспечивающее прямое преобразование химической энергии в электрическую. Хотя то же самое происходит в электрических аккумуляторах, топливные элементы имеют два важных отличия:

1) они функционируют до тех пор, пока топливо и окислитель поступают из внешнего источника;

2) химический состав электролита в процессе работы не изменяется, т.е. топливный элемент не нуждается в перезарядке.

Процесс, происходящий в водородно-кислородном топливном элементе, по своей природе является обратным хорошо известному процессу электролиза, в котором происходит диссоциация воды при прохождении через электролит электрического тока.

Принцип действия. Топливный элемент состоит из двух электродов, разделенных электролитом, и систем подвода топлива на один электрод и окислителя на другой, а также системы для удаления продуктов реакции.

В большинстве случаев для ускорения химической реакции используются катализаторы. Внешней электрической цепью топливный элемент соединен с нагрузкой, которая потребляет электроэнергию.

В изображенном топливном элементе с кислым электролитом водород подается через полый анод и поступает в электролит через очень мелкие поры в материале электрода.

При этом происходит разложение молекул водорода на атомы, которые в результате хемосорбции отдают свои электроны и превращаются в положительно заряженные ионы. Этот процесс может быть описан следующими уравнениями:

          2Н₂     4Н  4Н4Н⁺ +4е^-

Ионы водорода диффундируют через электролит к положительной стороне элемента. Подаваемый на катод кислород переходит в электролит и также реагирует на поверхности электрода с участием катализатора (обычно Pt). При соединении его с ионами водорода и электронами, которые поступают из внешней цепи, образуется вода:

                О₂ +4Н⁺ + 4е^-     2Н₂О

Поток электронов и ионов поддерживает баланс заряда и вещества в электролите. Образующаяся в результате реакции вода частично разбавляет электролит.

Поток электронов во внешней цепи представляет собой постоянный ток, который используется для совершения работы. Большинство реакций в топливных элементах обеспечивают ЭДС около 1 В. Размыкание цепи или прекращение движения ионов останавливает работу топливного элемента.

В описанном выше элементе водород и кислород переходят в электролит через микропористые углеродные или металлические электроды. Высокая плотность тока достигается в элементах, работающих при повышенной температуре (около 250 °С) и высоком давлении. Элементы, способные работать на водороде и кислороде при нормальных температуре и давлении, являются элементы с ионообменными мембранами.

В этих элементах вместо жидкого электролита между электродами располагается полимерная мембрана, через которую свободно проходят ионы. В таких элементах наряду с кислородом используется воздух. Образующаяся при работе вода не растворяет электролит и может быть легко удалена.

Магнитное поле.

Существует еще один особый вид взаимодействия токов и тел – магнетизм, осуществляемый посредством магнитного поля. Термин «магнитное поле» введен в 1845 г. М. Фарадеем.

Между электрическими и магнитными полями нет полной симметрии. Магнитных зарядов до настоящего времени не обнаружено, хотя теория предсказывает их существование.

Источниками магнитного поля являются движущиеся электрические заряды, электрические токи. Движение электронов и протонов создают орбитальные микротоки в атомах и ядрах.

Наряду с собственным механическим моментом количества движения (спином), микрочастицы обладают собственным магнитным моментом, определяющим их взаимодействие с внешним магнитным полем.

Электроны и протоны образуют атомные ядра, атомы, молекулы и все макроскопические тела, поэтому все вещества обладают магнитными свойствами и подвержены влиянию магнитного поля. Все вещества являются магнетиками.

В естественных условиях встречается железная руда, которая обладает свойством притягивать к себе железные опилки.

Руда представляет собой химическое соединение железа с кислородом Fe₃O₄ и называется магнитным железняком. Первые письменные свидетельства о магнитных свойствах веществ и о магнетизме пришли из Китая и имеют двухтысячелетнюю давность. В них упоминается об использовании постоянных магнитов в качестве компасов.

Древнегреческие и римские ученые упоминают о притяжении и отталкивании магнитов и о намагничивании магнитом железных опилок. В средние века в Европе широко применяется магнитный компас и предпринимались опыты по изучению свойств магнитов. Результаты исследования магнетизма в эпоху Возрождения обобщены Гильбертом в трактате «О магните, магнитных телах и о большом магните – Земле» (1600 г). В этом труде показано, что Земля – магнитный диполь, и доказана невозможность разъединения двух разноименных магнитных полюсов

Основной характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции B. ВекторВ является силовой характеристикой поля, аналогичный напряжённости электрического поля Е. Для наглядного изображения магнитных полей пользуются линиями магнитной индукции. Касательная в каждой точке этой линии совпадает с направлением вектора магнитной индукции. Магнитным полюсом называется участок поверхности магнита, на котором нормальная составляющая силовых линий магнитного поля отлична от нуля. Если изобразить графически силовые линии магнитного поля, то магнитный полюс соответствует месту пересечения поверхности образца этими линиями.

Участки поверхности, из которых выходят силовые линии, называются северным (N) полюсом, а участки поверхности, в которые эти линии входят, называются южным (S). Одноименные магнитные полюса отталкиваются, разноименные – притягиваются. Отсутствие в природе свободных магнитных зарядов приводит к тому, что линии магнитной индукции не могут прерываться в образце. У магнитного тела, наряду с магнитным полюсом одной полярности, всегда существует магнитный полюс другой полярности.

Принципиально новый этап изучения магнитных явлений начинается в конце XVIII. Кулон в 1785–1789 гг. показал, что взаимодействие точечных магнитных полюсов подчиняется закону обратных квадратов. Эрстед в 1820 г. открыл магнитное поле электрического тока. Ампер установил законы магнитного взаимодействия токов и эквивалентность магнитного поля кругового тока магнитному полю тонкого плоского магнита. Ампер объяснил магнетизм веществ существованием молекулярных токов. Фарадей ввел понятие об электромагнитном поле и на этой основе дал последовательную трактовку магнитных явлений, в частности, явлений электромагнитной индукции (1831 г.). Была доказана взаимосвязь электрических и магнитных полей. Вершиной развития классической электромагнитной теории явились труды Максвелла, опубликованные в 1872 г. Магнетизм широко используется как средство изучения химических связей и структуры молекул. Изучение процессов магнитного резонанса и релаксации позволяет понять кинетику многих физических и физико-химических процессов.

Интенсивно развиваются магнетобиология и применение магнетизма в медицине. Проблемы технических применений магнетизма входят в число важнейших в электротехнике, приборостроении, вычислительной технике, автоматике и телемеханике. Широко применяются магнитная дефектоскопия. Важная роль отводится измерениям магнитных характеристик электротехнических и радиотехнических материалов, которые идут на приготовление магнитопроводов электрических генераторов, моторов, трансформаторов, реле, магнитных усилителей, элементов магнитной памяти, лент и дисков магнитной записи, стрелок магнитных компасов, магнитострикционных излучателей и приемников и пр.

Сила Лоренца

Действующая сила на электрический заряд q во внешнем электромагнитном поле зависит от напряженности электрического поля E(x, y, z) в этой точке, от скорости его движения v и величины индукции магнитного поляВ(x, y, z).

Выражение для этой силы было получено Лоренцем путем обобщения опытных данных

F = q E + kq [ v,B],

Вектор B является силовым вектором и не зависит от величины и движения заряда q, он характеризует только магнитное поле, в котором движется заряд q. Первое слагаемое 

q E = F_к - кулоновская сила.

Второе слагаемое

F _m = kq [ v,B] – сила, действующая на движущийся заряд в магнитном поле   

Сила F _m перпендикулярна вектору скорости v и вектору индукции магнитного поля В. Выбор коэффициента k определяется выбором системы единиц. В системе СИ он равен единице (k = 1). Единицей измерения магнитной индукции в СИ служит тесла [Тл].

Действующая со стороны магнитного поля cила перпендикулярна вектору скорости, поэтому элементарная работа этой силы всегда равна нулю (F m ^ v, рис. 3):

d Am = (F m, d r) = (F m, v) dt = 0.

На рис. 3. показано действие магнитного поля с индукцией В (направлено на нас из-за плоскости рисунка) на положительно заряженную частицу, движущуюся со скоростью v.

Постоянное магнитное поле изменяет направление движения частицы, но не величину скорости. Магнитная часть силы Лоренца оставляет неизменной энергию заряда, а меняет лишь направление импульса.

Формула Лоренца позволяет связать уравнения электромагнитного поля с уравнениями движения заряженных частиц:

 

 

В вакууме, в постоянном однородном магнитном поле (Е = 0) заряженная частица будет двигаться по винтовой линии. Составляющая скорости вдоль линий поля v ||↑↑В обеспечивает равномерное движение заряда по направлению силовых линий магнитного поля

v = v || = const.

Составляющая вектора скорости, перпендикулярная векторуВ^ v ^, обеспечивает равномерное вращение по окружности. Радиус окружности определяется из условия

Частота вращения частицы (циклотронная частота) равна

- период обращения не зависит ни от r, ни от v. Шаг винтовой линии равен Тv ||.

Повседневно действие магнитной силы на движущийся заряд мы наблюдаем на телевизионном экране. Движение пучка электронов по плоскости экрана стимулируется магнитным полем отклоняющей катушки. Если поднести постоянный магнит к плоскости экрана, то легко заметить его воздействие на электронный пучок по возникающим в изображении искажениям (рис. 4).

Рис. 4. Телевизионный кинескоп. Катушка, отклоняющая пучок в вертикальном направлении (а); дин из витков отклоняющей катушки (б); между движущимся электроном и током, протекающим по нижней части витка, действует сила притяжения; между электроном и током, протекающим по верхней части витка, действует сила отталкивания.

Сила Ампера.

Рассмотрим проводник с током, размещенный в магнитном поле. Ток представляет совокупность зарядов q, двигающихся направленно со скоростью v. Концентрация зарядов равна n. Плотность тока равна

j = qvn

На объем проводника dV со стороны магнитного поля действует сила, равная сумме магнитных составляющих сил Лоренца по всей совокупности зарядов ndV:

d F = nq [ v,B] dV = [j,B] dV.

Рассмотрим тонкий проводник площадью поперечного сечения S, длиной dl, объемом dV = Sdl. В этом случае

d F = [j,B] dl × S = [j Sdl,B]

или

d F = dV [j,B] = I [ d l,B]

Здесь вектор d l задается равенством j Sdl = Id l и по направлению совпадает с направлением тока. Действие силы на бесконечно малый элемент проводника с током, помещенного в магнитное поле, была установлена Ампером. Эта сила носит название силы Ампера.

Сила Ампера направлена перпендикулярно векторам d l иВ и определяется по правилу произведения векторов: наблюдаемое со стороны конца вектора d F вращение векторов d l и В на наименьший угол, происходит против часовой стрелки; Или правилом левой руки(аналогично силе Лоренца): ладонь левой руки располагается так, чтобы в нее входили силовые линии магнитного поля, четыре пальца направляются вдоль проводника по току, то отведенный большой палец укажет направление силы Ампера

На провод конечной длины действует сила, определяемая геометрической суммой сил, действующих на все участки проводника:

F = ò I [ d l,B].

Экспериментально действие силы Ампера можно наблюдать по отклонению проводника, расположенного между полюсами магнита при пропускании тока по проводнику. Проводник втягивается или выталкивается из пространства между полюсами, в зависимости от направления тока

Если провод отклоняется влево, то можно ожидать, поскольку действие равно противодействию, что сам магнит испытывает толчок вправо.

Иными словами, если по проволоке протекает ток, то возникает сила, действующая со стороны проволоки на магнит.

Это впервые обнаружил в своих опытах датский физик и философ Эрстед в 1820 г.

Эрстед обнаружил, что если вдоль свободно вращающейся магнитной стрелки разместить проводник, то при прохождении тока по проводнику стрелка изменяет свою первоначальную ориентацию и устанавливается перпендикулярно проводу.

При изменении направления тока стрелка разворачивается на 180°. То же происходит, если переместить проводник с током под стрелку. В опытах Эрстеда была впервые установлена связь между электрическими и магнитными явлениями.