Изучить зависимость сопротивления от температуры у проводников и полупроводников, определить энергию активации и температурный коэффициент сопротивления.

Идея эксперимента:

В эксперименте производится измерение сопротивления проводников и полупроводников при различных температурах с помощью измерителя иммитанса Е 7-15, внешний вид которого приведен ниже на рис.2

Теоретическая часть

Проводимость проводников и полупроводников

Носителями электричества в металлах являются свободные электроны. Согласно классической теории электропроводности металлов свободные электроны ведут себя подобно молекулам идеального газа, совершают беспорядочное тепловое движение. При включении внешнего электрического поля на хаотическое тепловое движение электронов накладывается их упорядоченное движение в направлении, противоположном направлению поля. Между двумя последовательными соударениями с ионами кристаллической решётки электроны движутся под действием поля с ускорением и приобретают определённую энергию. Эта энергия передаётся полностью или частично положительным ионам при неупругих соударениях и превращается в тепло. Поэтому при прохождении тока металлы нагреваются. Таким образом, электрическое сопротивление металлов обусловлено неупругими соударениями свободных электронов с положительными ионами узлов кристаллической решётки металла.

С увеличением температуры проводника тепловое движение ионов становится более интенсивным, возрастает амплитуда колебаний их относительно положения равновесия, поэтому сопротивление проводника увеличивается. Температурная зависимость сопротивления характеризуется температурным коэффициентом сопротивления, который численно равен относительному изменению сопротивления проводника при изменении температуры на один градус:

. (1)

В общем случае α является функцией температуры и зависит от материала проводника. Для многих металлов при температуре от 0 до 100°С зависимость сопротивления от температуры в первом приближении может быть представлена в виде

, (2)

где R0 - сопротивление при 0° С, t - температура проводника в градусах Цельсия. Тогда температурный коэффициент сопротивления

(3)

В классической теории металлов считалось само собой разумеющимся, что электроны проводимости могут обладать любыми значениями энергии. Согласно квантовой теории энергия электронов в любом кристаллическом теле (в частности, в металле) так же, как и энергия электронов в атоме, квантуется. Это означает, что она может принимать лишь дискретные значения, называемые уровнями энергии. Дозволенные уровни энергии в кристалле группируются в зоны.

Чтобы понять происхождение зон, рассмотрим воображаемый процесс объединения атомов в кристалл.

Пусть первоначально имеется N изолированных атомов какого- либо вещества. Каждый электрон любого атома обладает одним из разрешенных значений энергий, то есть занимает один из дозволенных энергетических уровней. В основном, невозбужденном состоянии атома суммарная энергия электронов имеет минимально возможное значение. Поэтому, казалось бы, все электроны должны находиться на самом низком уровне. Однако электроны подчиняются принципу запрета Паули, который гласит, что в любой квантовой системе на каждом энергетическом уровне может находиться не более двух электронов, причем собственные моменты(спины) электронов, занимающих одновременно один и тот же уровень, должны иметь противоположные направления. Следовательно, на самом низком уровне может разместиться только два электрона, остальные заполняют попарно более высокие уровни.

Пока атомы изолированы друг от друга, они имеют полностью совпадающие схемы энергетических уровней. Заполнение уровней электронами осуществляется в каждом атоме независимо от заполнения аналогичных уровней в других атомах. По мере сближения атомов, между ними возникает все усиливающееся взаимодействие, которое приводит к изменению положения уровней. Вместо одного одинакового для всех N атомов уровня возникают N очень близких, но не совпадающих уровней. Таким образом, каждый уровень изолированного атома расщепляется в кристалле на N густо расположенных уровней, образующих полосу или зону.

Величина расщепления для разных уровней не одинакова. Уровни, заполненные в атоме более близкими к ядру (внутренними) электронами, возмущаются меньше, чем уровни, заполненные внешними электронами. Заметно расщепляются лишь уровни, занимаемые валентными электронами. Такому же расщеплению подвергаются и более высокие уровни, не занятые электронами в основном состоянии атома.

При достаточно малых расстояниях между атомами может произойти перекрывание зон, соответствующих двум соседним уровням атома. Число уровней в такой сливающейся зоне равно сумме количеств уровней, на которые расщепляются оба уровня атома.

Взаимодействующие атомы представляют собой единую квантовую систему, в пределах которой действует принцип запрета Паули. Следовательно, 2N электронов, которые заполняли какой-то уровень в изолированных атомах, разместятся в кристалле попарно (с противоположными спинами) на N уровнях соответствующей полосы.

Нижние, образованные слабо расщепленными уровнями зоны заполняются электронами, каждый из которых не утрачивает в кристалле прочной связи со своим атомом.

Дозволенные значения энергии валентных электронов в кристалле объединяются в зоны, разделенные промежутками, в которых разрешенных значений энергий нет. Эти промежутки называются запрещенными зонами. Ширина разрешенных и запрещенных зон не зависит от размеров кристалла. Таким образом, чем больше атомов содержит кристалл, тем теснее располагаются уровни в зоне. Ширина разрешенных зон имеет величину порядка нескольких электрон-вольт. Следовательно, если кристалл содержит 1023 атомов, то расстояние между уровнями в зоне составляет ~ 10-23 эВ.

При абсолютном нуле энергия кристалла должна быть минимальной. Поэтому валентные электроны заполняют попарно нижние уровни разрешенной зоны, возникшей из того уровня, на котором находятся валентные электроны в основном состоянии атома (валентная зона). Более высокие разрешенные зоны будут от электронов свободны. В зависимости от степени заполнения валентной зоны электронами и ширины запретной зоны возможны три случая, изображенные на рисунке 1. В случае а) электроны заполняют валентную зону не полностью, поэтому достаточно сообщить электронам, находящимся на верхних уровнях, совсем небольшую энергию (~ 10 -23÷10-22 эВ) для того, чтобы перевести их на более высокие уровни. Энергия теплового движения составляет при 1К величину порядка 10-4эВ. Следовательно, при температурах отличных от 0 К часть электронов переводится на более высокие уровни. Дополнительная энергия, вызванная действием на электрон электрического поля, также оказывается достаточной для перевода на более высокие уровни. Поэтому электроны могут ускоряться электрическим полем и приобретать дополнительную скорость в направлении, противоположном направлению поля. Таким образом, кристалл с подобной схемой энергетических уровней будет представлять собой металл. Частичное заполнение валентной зоны (в случае металла ее также называют зоной проводимости) может произойти, если на последнем занятом уровне в атоме находится только один электрон; или имеет место перекрывание зон. В первом случае N электронов проводимости заполняют попарно только половину уровней валентной зоны. Во втором случае число уровней в зоне проводимости будет больше N, так, что даже если количество электронов проводимости равно 2N, они не смогут занять все уровни зоны.

В случаях б) и в) уровни валентной зоны полностью заняты электронами – зона заполнена. Для того чтобы увеличить энергию электрона, необходимо сообщить ему количество энергии, не меньшее, чем ширина запретной зоны ΔW. Электрическое поле сообщить электрону такую энергию не в состоянии. При этих условиях электрические свойства кристалла определяются шириной запретной зоны ΔW. Если ΔW невелико (порядка нескольких десятых эВ) энергия теплового движения оказывается достаточной для того, чтобы перевести часть электронов в верхнюю свободную зону. Эти электроны будут находиться в условиях, аналогичных тем, в которых находятся валентные электроны в металле. Свободная зона окажется зоной проводимости. Одновременно станет возможным переход электронов валентной зоны на ее освободившиеся верхние уровни. Такое вещество называется электронным полупроводником.

Если ширина запрещенной зоны ΔW велика (порядка нескольких эВ), тепловое движение не сможет забросить в свободную зону заметное число электронов. В этом случае кристалл оказывается изолятором.

Таким образом, квантовая теория объясняет с единой точки зрения существование хороших проводников (металлов), полупроводников и изоляторов.

Итак, полупроводниками являются кристаллические вещества, у которых валентная зона полностью заполнена электронами, а ширина запрещённой зоны невелика (не более 1 эВ). Полупроводники обязаны своим названием тому обстоятельству, что по величине электропроводности они занимают промежуточное положение между металлами и диэлектриками. Однако, характерным для них является не величина проводимости, а то, что их проводимость растёт с повышением температуры (у металлов она уменьшается).

Электрическое поле не может перебросить электроны из валентной зоны в зону проводимости. Поэтому полупроводники ведут себя при абсолютном нуле как диэлектрики. При температурах, отличных от 0 К, часть электронов из валентной зоны переходит в зону проводимости, в результате чего в полупроводнике возникают свободные носители зарядов. С повышением температуры число таких носителей растёт и, следовательно, увеличивается электропроводность полупроводника, а значит, уменьшается сопротивление. Зависимость сопротивления полупроводников от абсолютной температуры в определённых температурных интервалах описывается формулой

, (4)

где А - константа, k - постоянная Больцмана, ΔЕ - энергия активации. Под энергией активации понимается энергия, которую нужно затратить, чтобы перевести электрон из валентной зоны в зону проводимости. Логарифмирование уравнения (4) даёт

. (5)

График зависимости ln(R)=f(1/T) представляет собой прямую, угловой коэффициент которой равен ΔЕ/К. Построив график зависимости (5), этот угловой коэффициент можно определить по формуле

(6)

для любых двух точек, лежащих на прямой, а затем найти энергию активации ΔЕ.

Экспериментальная установка

Исследуемые проводник и полупроводник помещаются в термостат, заполненный непроводящей жидкостью. В нижней части термостата помещен нагреватель. Температура измеряется термометром. Сопротивления проводника и полупроводника измеряются одновременно с помощью измерителя иммитанса (рис.2). Для проведения измерения достаточно подключить проводник (полупроводник) к зажимам и установить нужный режим измерения. Нажатием кнопки «Параметр» установить прибор в режим измерения RG. Так как истинная температура проводника и полупроводника может несколько отличаться от показаний термометра в условиях нагревания и охлаждения, то сопротивление следует измерять дважды: при нагревании, а затем при охлаждении, и вычислять среднее значение.

Проведение эксперимента

1. Исследуемые проводник и полупроводник подключить к клеммам измерителей иммитанса в качестве неизвестного сопротивления;

2. Измерить их сопротивления при комнатной температуре;

3. Включить нагреватель и измерять сопротивления Rпов. через каждые 4-5° С при повышении температуры до 50-60° С;

4. Выключить нагреватель и произвести измерения сопротивлений Rпон. проводника и полупроводника при их охлаждении до комнатной температуры;

5. Результаты измерений занести в таблицы 1 и 2;

6. Определить среднее значение сопротивлений, измеренных при повышении и понижении температуры;

7. Построить график зависимости проводника R= f(T), откладывая по горизонтальной оси температуру, а по вертикальной – сопротивление;

8. Из графика определить R0 и α следующим образом: продлить полученную прямую до пересечения с осью R. Точка пересечения даст значение R0 . Значение коэффициента α вычислить по формуле (3), воспользовавшись данными графика.

9. Построить график зависимости lnR=f(1/T), откладывая значения 1/Т по горизонтальной оси, a In R - по вертикальной.

10. Пользуясь формулой (6), определить угловой коэффициент, а затем и энергию активации полупроводника Е Выразить энергию активации в электрон-вольтах.

Таблица I

№	t, °C	Rпов, Ом	Rпон, Ом	<R>, Ом	R0, Ом	α, град-1

Таблица 2

№	t, °C	T, K	1/T, K-1	Rпов,Ом	Rпон, Ом	<R>, Ом	lnR

Контрольные вопросы

1. Механизм проводимости металлов. Причина электрического сопротивления

2. Температурная зависимость сопротивления проводников, термический коэффициент сопротивления, его физический смысл, единицы измерения.

3. Классическая электронная теория металлов и границы ее применимости.

4. Сверхпроводимость.

5. Собственная электропроводность проводников.

6. Примесная электропроводность полупроводников.

7. Понятие об энергетических зонах (зона проводимости, запрещенная валентная зона, энергия активации).

8. Температурная зависимость полупроводников.

Литература, рекомендуемая к лабораторной работе:

10. Матвеев А.Н. Электричество и магнетизм.- М.: Высшая школа, 1983.

11. Калашников С.Г. Электричество. – М.: Наука, 1977.

12. Савельев И.В. Курс общей физики. Т.2, Т. 3. – М.: Наука, 1977.

13. Телеснин Р.В., Яковлев В.Ф. Курс физики. Электричество.-М.: Просвещение, 1970.

14. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Т.3. Электричество.- М.: Физматлит МФТИ, 2002.

15. Иродов И.Е. Электромагнетизм. Основные законы. –М.- С.-П.: Физматлит Невский диалект, 2001

16. Зильберман Г.Е. Электричество и магнетизм. – М.: Наука, 1970.

17. Парсел Э. Курс физики Т.2 Электричество и магнетизм – М.: Наука, 1971.

18. Рублев Ю.В., Куценко А.Н., Кортнев А.В. Практикум по электричеству. – М.: Высшая школа, 1971.

19. Кортнев А.В., Рублев Ю.В., Куценко А.Н.. Практикум по физике. – М.: Высшая школа, 1965.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 7

ИЗУЧЕНИЕ ТЕРМОЭЛЕКТРОННОЙ ЭМИССИИ

Цель работы:

Получить вольт-амперную характеристику диода и проверить законы термоэлектронной эмиссии.

Идея эксперимента:

Для наблюдения термоэлектронной эмиссии в эксперименте используется вакуумная лампа с двумя электродами – катодом и анодом - называемая вакуумным диодом. При нагревании катода с его поверхности вылетают электроны. При наличии разности потенциалов между катодом и анодом, в случае, когда потенциал анода выше, в цепи возникает электрический ток, называемый анодным, который зависит от температуры катода и разности потенциалов между электродами. При постоянной температуре катода сила анодного тока Iа возрастает с увеличением разности потенциалов между электродами. Однако, зависимость между силой тока Iа и разностью потенциалов Uа не выражается законом Ома, а носит более сложный характер и подчиняется закону Богуславского-Ленгмюра, который можно записать в виде :

Ia = CUan (1)

Прологарифмируем это выражение. Получается линейная зависимость между величинами lgIa и lgUa:

lgJa=lgC+nlgUa (2)

Построив график зависимости lgIa=f(lgUa) , получим прямую линию для участка ab на рис. 1, угловой коэффициент которой равен n а отрезок, отсекаемый этой прямой на оси ординат, равен lgC.

Теоретическая часть

Явление термоэлектронной эмиссии

В атомах металлов валентные электроны слабо связаны с ядрами и, отщепляясь от своих атомов, свободно распределяются по всему объёму металла. Такие электроны называются свободными электронами проводимости. Свободные электроны, находясь в состоянии беспорядочного движения, вообще говоря, не могут выйти за пределы металла, так как их выходу препятствует электрическое поле, действующее в узкой области вблизи поверхности металла. Причины его возникновения таковы.

1. В результате теплового движения некоторые из свободных электронов выходят за поверхность металла, образуя электронное облако, которое препятствует дальнейшему выходу электронов. Плотность электронного облака очень быстро убывает по мере удаления от поверхности металла.

2. Случайное удаление электрона от наружного слоя приводит к возникновению на поверхности металла индуцированного положительного заряда, поэтому между электроном и металлом возникают кулоновские силы притяжения.

В результате у поверхности металла образуется двойной электрический слой, поле которого подобно полю плоского конденсатора, отрицательной обкладкой является электронное облако, а положительной - поверхность металла. Это поле препятствует выходу свободных электронов из металла.

Для вырывания электронов из металла должна быть совершена определённая работа, которая получила название работы выхода:

, (3)

где e -заряд электрона, φ- поверхностная разность потенциалов. Работа выхода для различных металлов неодинакова и колеблется в пределах от I до 5 эВ.

При комнатных температурах лишь ничтожная часть электронов внутри металла имеет достаточный запас кинетической энергии, чтобы вырваться наружу. По мере повышения температуры число быстрых электронов возрастает, благодаря чему возрастает и число электронов, вырывающихся из металла. При достаточно высокой температуре наступает заметное испускание электронов металлом. Это явление носит название термоэлектронной эмиссии. Термоэлектронная эмиссия лежит в основе устройства электронных ламп. Простейшая электронная лампа представляет собой стеклянный баллон, из которого выкачан воздух до давления порядка 1О-6 мм рт.ст. с впаянными двумя металлическими электродами - катодом и анодом. Электрическое поле, образующееся между катодом и анодом, ускоряет электроны, вылетевшие из катода при его нагревании, что приводит к появлению анодного тока. Зависимость анодного тока Ia от анодного напряжения при постоянной температуре катода графически представлена на рис. 1. Эта кривая называется вольт-амперной, или анодной характеристикой двухэлектродной лампы. Как видно из графика, зависимость между током и напряжением в лампе не подчиняется закону Ома, а носит более сложный характер. При нулевом потенциале анода ток или очень мал или равен нулю. При увеличении положительного потенциала на аноде ток возрастает (участок аб).

По мере роста анодного напряжения всё большее число электронов достигает анода и, наконец, при определённом значении Uа* все электроны, испускаемые катодом за единицу времени, попадают на анод, ток достигает своего максимального значения и почти перестаёт зависеть от напряжения - это ток насыщения Iнас.

Ток насыщения характеризует эмиссионную способность катода, которая зависит от природы катода и его температуры. Он растёт с повышением температуры катода. Зависимость тока насыщения от температуры катода выражается формулой Ричардсона-Дешмена:

, (4)

где А=6,02·105 А/м2К2 - постоянная, одинаковая почти для всех металлов, - площадь поверхности катода.

Плотность тока насыщения в соответствии с формулой 4 сильно зависит от температуры и работы выхода. Так, например, для чистой поверхности вольфрама при температуре 1000 К плотность тока насыщения

ј≈ 1,3·10-11 А/м2, та же поверхность вольфрама при температуре 3000 К даст плотность тока насыщения ј≈ 1,1·105 А/м2. Как видно, повышение температуры от 1000К до 3000 К ведет к возрастанию тока насыщения в 1016 раз. Приведенные цифры показывают, что для получения заметного термоэлектронного тока с вольфрамового катода его необходимо накаливать до очень высокой температуры.

С другой стороны, для целей практики очень важно, по возможности, снизить рабочую температуру катода электронной лампы, так как при этом уменьшается мощность, расходуемая на накал катода и увеличивается срок службы лампы. Поэтому в настоящее время наряду с катодами из чистых тугоплавких металлов (вольфрам, молибден) широко применяются катоды более сложного устройства.

Большое техническое применение получил оксидный катод. Он содержит металлическую подложку (керн), на которую нанесен слой окислов щелочноземельных металлов. Для накаливания катода через керн пропускают ток (катоды прямого нагрева) или нагревают катод при помощи вспомогательной металлической спирали (подогревные катоды). Для придания катоду высокой эмиссионной способности его подвергают дополнительной обработке (активирование), состоящей в том, что через электронную лампу при температуре катода около 1000 К в течение некоторого времени пропускают термоэлектронный ток. При активировании катода на его поверхности возникает одноатомный слой положительных ионов щелочноземельного металла, который сильно понижает работу выхода и этим увеличивает эмиссионную способность катода.

При изготовлении оксидных катодов на керн сначала наносят углекислые соединения щелочноземельных металлов и затем прокаливают катод перед активированием в вакууме. При этом углекислые соединения разлагаются согласно реакции:

BaCO3↔BaO+CO2

и керн оказывается покрытым окислами.

Современные оксидные катоды отличаются высокими качествами. Их рабочая температура равна 1000 К, а иногда и ниже. Нормальная эмиссионная способность таких катодов достигает 104 А/м2. Для сравнения укажем, что рабочая температура вольфрамовых катодов лежит около 2400 К, а снимаемые с них термоэлектронные токи на практике не превышают 103 А/м2. При очень кратковременных токах (импульсы тока длительностью 10-6 -10-5 с) оксидные катоды способны давать эмиссию до 106 А/м2 и выше.

Точного математического выражения зависимости анодного тока от анодного напряжения на всей вольт-амперной характеристике найти не удаётся. Приняв некоторые, вполне реальные допущения, С. А. Богуславский и И.Ленгмюр показали, что наиболее важный участок характеристики можно достаточно точно описать формулой:

Ia = CUa3/2 , (5)

где С - постоянная, зависящая от формы и размеров электродов. Эта формула носит название закона Богуславского-Ленгмюра, или закона трёх вторых. Допущения, сделанные при её выводе, следующие: а) начальными скоростями эмитированных электронов пренебрегают и считают их равными нулю; б) анодный ток далёк от насыщения; в) пространственный заряд создает такое распределение потенциала, что непосредственно на поверхности катода напряжённость поля равна нулю.

В реальных диодах наблюдаются значительные отклонения от закона трёх вторых. Эти отклонения обусловлены рядом причин: а) напряжённость электрического поля у поверхности катода несколько отличается от нуля; б) система катод-анод асимметрична; в) не учитывается наличие контактной разности потенциалов между катодом и анодом; г) происходит ионизация остаточного газа. Поэтому анодный ток возрастает значительно быстрее, чем следует из закона трёх вторых.

Экспериментальная установка

Для изучения явления термоэлектронной эмиссии и проверки закона трех вторых, можно воспользоваться установкой, принципиальная схема которой представлена на рис.2. Катод нагревается переменным током от источника Одновременно катод К электронной лампы соединён с отрицательным полюсом источника питания постоянного тока 110 В, а анод А - с положительным. Температуру накала катода можно менять, регулируя ток, подаваемый с источника на нить накала катода, который измеряется амперметром А. Величину анодного напряжения можно менять, регулируя напряжение, подаваемое с источника постоянного тока и измерять вольтметром V.

Микроамперметр А предназначен для измерения анодного тока.

Проведение эксперимента

1. Собрать схему по рис. 2. Включать схему в цепь только с разрешения преподавателя!

2. Включить цепь накала и установить ток накала Iи=5,1 А. Меняя анодное напряжение от 0 до 20 В через 5 В, а затем от 20 до 100 В через каждые 10 В, снять анодную характеристику лампы.

3. Снять анодные характеристики лампы при меньших токах накала – 5,0 А и 4,9 А. Занести все измерения в таблицу 1:

Таблица 1

Iи = 5, 1 А		Iи = 5, 0 А		Iи = 4, 9 А
Ua, В	Iа, мкА	Ua, В	Iа, мкА	Uа. В	Ia, мкА

4. Построить графики зависимостей Ia=f (Ua) по данным измерений. Определить для всех кривых ток насыщения.

5. Вычислить значения lgIa и lgUa для одного из токов накала. Результаты занести в таблицу 2:

Таблица 2

№

Ia, мкА

lgJa

ua, В

lg ua

6. Построить график зависимости lg Ia= f(lg Ua). При построении графика брать один и тот же масштаб, как по оси ординат, так и по оси абсцисс.

7. Выбрать линейный участок полученного графика, определить численное значение коэффициента С и вычислить угловой коэффициент n по формуле:

для двух любых точек линейного участка.

8. Сравнить полученное значение углового коэффициента с показателем степени в формуле (5).

Контрольные вопросы

1. Электронная эмиссия, ее виды. Работа выхода

2. Вольт-амперная характеристика вакуумного диода.

3. Закон Богуславского-Ленгмюра.

4. Каковы причины отклонения от закона Богуславского-Ленгмюра в реальных электронных лампах.

5. Зависимость тока насыщения от температуры, формула Ричардсона-Дэшмена.

6. Электронная лампа как выпрямитель.

7. Как определить поток и плотность потока электронов из катода?

8. Методика проведения эксперимента.

Литература, рекомендуемая к лабораторной работе:

1. Матвеев А.Н. Электричество и магнетизм.- М.: Высшая школа, 1983.

2. Калашников С.Г. Электричество. – М.: Наука, 1977.

3. Савельев И.В. Курс общей физики. Т.2, Т. 3. – М.: Наука, 1977.

4. Телеснин Р.В., Яковлев В.Ф. Курс физики. Электричество.-М.: Просвещение, 1970.

5. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Т.3. Электричество.- М.: Физматлит МФТИ, 2002.

6. Иродов И.Е. Электромагнетизм. Основные законы. –М.- С.-П.: Физматлит Невский диалект, 2001

7. Зильберман Г.Е. Электричество и магнетизм. – М.: Наука, 1970.

8. Парсел Э. Курс физики Т.2 Электричество и магнетизм – М.: Наука, 1971.

9. Рублев Ю.В., Куценко А.Н., Кортнев А.В. Практикум по электричеству. – М.: Высшая школа, 1971.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 8

ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ ЖИДКОСТИ.

Цель работы:

Экспериментальное изучение законов протекания тока через электролит. Определение числа Фарадея, заряда электрона, коэффициента диффузии, подвижности и скорости ионов.

Идея эксперимента

Для визуализации движения ионов используется водный раствор перманганата калия (KMnO4) малой концентрации. Измеряя перемещение фиолетовых ионов MnO4 можно определить их скорость υ и подвижность b, зависимость этих величин от напряженности поля Е, в котором находятся ионы. В измеряемые величины вносит вклад диффузия ионов MnO4 в растворе KNO3. Проводя измерения с полем и без поля можно определить коэффициент диффузии D и учесть его вклад в величиныυ и b.

Измерив массу вещества, выделившегося на электроде, можно определить число Фарадея F и заряд электрона e.

Теоретическая часть.

Вещества, в которых при прохождении тока происходят химические превращения, называются проводниками второго рода или электролитами. К их числу принадлежат растворы солей, щелочей или кислот в воде и некоторых других жидкостях, а также расплавы солей, являющихся в твердом состоянии ионными кристаллами

Носителями тока в электролитах служат ионы, на которые диссоциируют (расщепляются) в растворе молекулы растворенного вещества. Образовавшиеся ионы начинают странствовать по раствору. Если ионы разных знаков сблизятся на достаточно малое расстояние, они могут объединиться снова в молекулу. Этот процесс, противоположный процессу диссоциации, называется рекомбинацией или молизацией ионов. В растворе идут одновременно оба процесса. Когда количество молекул, диссоциирующих в единицу времени, станет равным количеству молекул, возникающих за то же время вследствие рекомбинации, установится равновесное состояние. Этому состоянию соответствует определенная степень диссоциации, которую принято характеризовать коэффициентом диссоциации α, показывающим, какая часть молекул растворенного вещества находится в диссоциированном состоянии.

Пусть в каждой единице объема раствора имеется n молекул растворенного вещества, из которых α∙ n диссоциировано, а (1-α) n – не диссоциированы. Количество элементарных актов диссоциации в одну секунду в единице объема тем больше, чем больше имеется в наличии нерасщепленных молекул, т.е. равно:

η1= А(1-α)n,

где А – коэффициент, зависящий от природы электролита и его температуры. Число актов рекомбинации пропорционально числу соударений разноименных ионов, которое пропорционально концентрации положительных и концентрации отрицательных ионов, т.е. равно:

η2= B(nα)2.

В состоянии равновесия η1= η2

А(1-α)n= B(nα)2,

откуда:

Полученная формула выражает закон Оствальда, показывающий, как зависит коэффициент диссоциации α от концентрации раствора n.

Если ввести в электролит два электрода (металлических или угольных), соединенных с полюсами источника постоянного напряжения, и создать постоянное внешнее электрическое поле, то под действием электрических сил ионы в растворе придут в направленное движение. К аноду будут двигаться отрицательные ионы (анионы), к катоду — положительные ионы (катионы).

Достигнув электродов, ионы разряжаются: анионы отдают аноду свои избыточные электроны, катионы восстанавливаются на катоде. Например, молекулы медного купороса CuSO4 диссоциируют при растворении на положительные ионы Си++ и отрицательные ионы SO4- - . Кроме ионов Си++ и ионов SO4- -, раствор содержит также водородные (Н + ) и гидроксильные (ОН-) ионы воды.

Ионы меди Си++ разряжаются легче, чем ионы водорода Н+, поэтому при прохождении тока на катоде будет происходить выделение меди

Cu++ + 2e = Cu.

Ионы SO4- - —труднее разряжаются, чем ионы ОН-. Поэтому при прохождении тока у анода разряжаются ионы гидроксила и выделяется кислород

2ОН--2е = Н2О +О, 2О → О2

Ионы SO4- - — с ионами Н+ образуют у анода раствор серной кислоты

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6