ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Происхождение электрического тока из "Ионы электроды мембраны" Теперь предположим, что пространство между пластинами заполнено веществом, молекулы которого представляют собой электрические диполи [1] с высоким дигюльным м ментом, например 1-хлорпропан (СН3СН2СН2С1). Атом хлора характеризуется высокой электроотрицательностью (тенденцией притягивать электроны). Поэтому на конце молекулы хлорпропана, на котором находится атом хлора, имеется небольшой избыточный отрицательный заряд, тогда как другой конец молекулы становится положительно заряженным. В целом же молекула хлорпропана электронейтральна. Электрическое поле между пластинами заряженного конденсатора действует на молекулы хлорпропана таким образом, что их положительные концы поворачиваются к отрицательной пластине, а отрицательные — в противоположном направлении. Строгой ориентации молекул вдоль силовых линий электрического поля препятствует тепловое движение молекул — в слабом электрическом поле диполи ориентированы лишь в небольшой степени. В электрическом поле распределение зарядов внутри некоторых молекул может меняться, т. е. в молекуле могут возникать диполи. Диполи, имеющиеся в молекулах постоянно (и в отсутствие электрического поля), называются постоянными, а возникающие только в электрическом поле — индуцированными. Диполи частично компенсируют имеющийся на пластинах заряд, в результате напряженность электрического поля между пластинами (и, следовательно, разность потенциалов) уменьшается. Уравнение (1.1) показывает, что при постоянном заряде Q уменьшение напряжения А К приводит к увеличению емкости конденсатора С. [c.13] Любая среда, включая вакуум, препятствующая прохождению электрического тока между пластинами конденсатора, называется диэлектриком вещества, заменяющие вакуум в конденсаторе, называются изоляторами. Различные диэлектрики увеличивают емкость конденсатора в разной степени. Представляется разумным определить способность диэлектриков к увеличению емкости конденсатора количественно. Для этой цели используется величина, называемая относительной диэлектрической проницаемостью О. Относительная проницаемость показывает, во сколько раз емкость конденсатора, заполненного диэлектриком, больше емкости конденсатора, между пластинами которого поддерживается вакуум при одинаковых размерах и расстоянии между пластинами. В табл. 2 приведены значения относительных проницаемостей для некоторых жидкостей. Относительная проницаемость диэлектриков увеличивается с ростом температуры и почти не зависит от напряженности электрического поля (в слабых полях). [c.14] Если вместо диэлектрика между пластинами поместить металлический предмет, но так, чтобы он касался обеих пластин заряженного конденсатора, то получим тривиальный результат через металл начинает течь элёктри-ческий ток — заряды не могут больше удерживаться на пластинах, поскольку между ними находится проводник. Таким образом, металлы являются проводниками электричества. [c.14] Если между двумя металлическими пластинами поместить кусочек очень чистого германия (за последние десятилетия очистка подобных материалов достигла высокого совершенства) и соединить их с источником напряжения, в электрической цепи начнет течь очень слабый электрический ток. При увеличении температуры этот ток увеличивается. Серый, с металлическим отливом, германий внешне очень похож на металл, но обладает низкой электрической проводимостью. Германий и подобные ему вещества относятся к полупроводникам. [c.18] При наложении на чистый германий электрического поля электроны мигрируют в одном направлении, а дырки — в противоположном (и снова скорость перемещения электронов или дырок в одном определенном направлении превышает скорость в противоположном). Такие собственные полупроводники плохо проводят электрический ток и особого технического значения не имеют. Открытие полупроводников с искусственно вводимыми примесями, т. е. полупроводников, легированных ничтожными количествами добавок, привело к революции в электронике, отмеченной быстрым переходом от простых выпрямителей-диодов до микропроцессоров на интегральных схемах. [c.19] Введение очень небольшого количества мышьяка в гер ,1аний приводит к следующему химическолгу процессу электрон внешней электронной оболочки атома мышьяка отрывается и переходит к соседним атомам германия, приобретая способность к свободному движению по кристаллической решетке. Из-за своей способности отдавать электроны мышьяк называется донором электронов. На зонной схеме кремния (рис. 6) введение мышьяка отражается появлением новых донорных уровней энергии, располагающихся непосредственно под зоной проводимости. Теперь электронам необходимо дополнительно получить небольшое количество энергии Е , чтобы подняться в зону проводимости и тем самым увеличить проводимость кремния. Полупроводники, которые содержат донорные примеси и электропроводность которых обусловлена движением электронов (переносчики отрицательного заряда), называются полупроводниками п-типа. [c.19] Рассмотрим теперь эксперимент, в котором две металлические пластины из какого-либо металла, например меди, погружаются в раствор сульфата меди. При соединении пластин с источником постоянного напряжения в цепи возникает электрический ток. Прохождение тока сопровождается химическими изменениями на ме-дных пластинах, которые называются электродами. [c.21] Электрод, который принимает положительный заряд из раствора или отдает в раствор отрицательный заряд, называется катодом, а другой электрод, отдающий в раствор положительный заряд или принимающий из раствора отрицательный заряд, называется анодом. [c.22] Из уравнений (1.3) и (1.4) следует, что вещества, которые образуются на электродах вследствие протекания электрического тока через раствор и из которых образуются конечные продукты, присутствуют в растворе исключительно в виде ионов. Можно полагать (и другие эксперименты подтверждают справедливость нашего предположения), что в проведении электрического тока в растворе Си304 участвуют только ионы. Иными словами, переносчиками заряда в этом процессе являются ионы. Проводник, электропроводность которого обусловлена только ионами, называется электролитом, а описанный выше процесс — электролизом. Термины электрод, анод, катод, электролит и электролиз введены М. Фарадеем в 1835 г. [c.22] Последняя стадия обязательно включает перенос электрона к металлу, так как электрод должен остаться электронейтраль-ным (даже если медь остается в решетке в ионизированной форме). [c.22] Перепое вещества в растворе обусловлен, кроме того, н другими причинами. Электродные процессы обсуждаются в гл. 2. [c.23] В растворе сульфата меди присутствуют ионы Си- и 504 . При высоких концентрациях заметную роль начинают играть ионы Си(504) , но здесь мы этим пренебрегаем, поскольку концентрация раствора, используемого в обсуждаемом эксперименте, невелика. [c.23] Такие же процессы, какие нами разобраны здесь для раствора сернокислой меди, характерны и для растворов других многочисленных электролитов солей, кислот и оснований. Однако процессы, протекающие непосредственно на электродах, часто весьма сложны и разнообразны. Они могут быть совершенно различными, если электролиз ведется, например, на электродах, изготовленных из различных материалов. Природа электродных процессов совершенно отлична от природы процессов переноса ионов в объеме раствора. К счастью, оказалось возможным отделить электродные процессы от процессов, протекающих в растворе электролита. В первой половине XIX в. возможность такого разделения еще не осознавалась основоположниками электрохимии, такими, как Дэви, Фарадей, Гротгус и др. 3] принятые в то время взгляды с удивительной настойчивостью пробиваются в электрохимической литературе даже в наши дни. [c.24] В металлургических процессах, в расплаве представляет собой расплавленный электролит силикатного типа алюминий производят электролизом раствора окиси алюминия (получаемой из минерала боксита) в расплавленном криолите NagAlFg. [c.25] Если вместо хлорида натрия между металлическими пластинами поместить кристалл хлорида или бромида серебра, а к пластинам приложить напряжение, то мы обнаружим, что между пластинами начинает течь заметный ток. Этот ток значительно меньше, чем в случае расплавленного электролита или водного раствора электролита, но его вполне достаточно, чтобы отличить Ag l или AgBr от изоляторов, подобных твердому хлориду натрия. Хлорид и бромид серебра — твердые электролиты [7, 8]. В кристаллической решетке этих веществ ионы хлора или брома неподвижны, тогда как ионы серебра являются истинными носителями заряда. Из-за несовершенства кристалла некоторые ионы серебра находятся вне узлов кристаллической решетки (т. е. в междоузлиях-, щс Л), тогда как часть узлов решетки не занята ионами (эти свободные места называются ионными вакансиями, или дырками). Переход ионов серебра из междоузлий на вакансии и обратно делает возможным перенос заряда в кристалле. С ростом температуры проводимость твердых электролитов возрастает. Твердые электролиты используются в ионоселективных электродах (гл. 3) и в определенных типах топливных элементов (см, гл, 2). [c.25] Для халькогенидов (сульфидов, селенидов, теллури-дов) серебра, свинца, кадмия и т. д. характерна смешанная проводимость. В этих материалах носителями электрического заряда служат как ионы, так и электроны. Относительный вклад каждого из двух типов носителей определяется, кроме всего прочего, отклонением состава кристалла от стехиометрического соотношения компонентов (например, кристалл сульфида серебра может содержать небольшой избыток серебра или серы). [c.26] При нагревании двухатомного газа до очень высокой температуры его молекулы диссоциируют на атомы, а при еще более высокой температуре газ состоит из электронов и ионов, как положительных, так и отрицательных. Образовавшуюся плазму, однако, нельзя считать газообразным электролитом, поскольку она характеризуется смешанной проводимостью переносчиками заряда здесь служат и ионы, и электроны. [c.26] Электроны локализуются в полостях между молекулами растворителя и обладают очень высокой реакционно способностью (например, во многих реакциях с органическими веществами они действуют как сильные восстановители). С увеличением концентрации электронов образуются электронные пары (димеры), в которых спины электронов антипараллельны (т. е. спин одного электрона противоположен спину другого электрона). При еще более высоких концентрациях орбитали электронов начинают перекрываться так же, как в металлической решетке. В концентрированных растворах образуется электронный газ, что приводит к изменению внешнего вида )аствора и резкому увеличению его электропроводности 9]. Подобное явление часто наблюдается также при растворении щелочных металлов в аминах и других рас-творитвлях Хзк в клстоя1 вб время ведутся интенсивные исследования свойств растворов щелочных металлов в гексаметилфосфотриамиде [(СНз)зМ]зРО. [c.27] Вернуться к основной статье