Download - ELEKTRIČNA STRUJA KROZ TEKUĆINE
ELEKTRIČNA STRUJA KROZ TEKUĆINE
Elektrolitička disocijacija
disocirana tekućina sadrži pozitivno (kationi) i negativno (anioni) nabijene ione
ion toliko naboja kolika je valentnost ( ) tog iona
(A) enI
n - broj iona - valencijae - elementarni naboj elektrona (1,602 10 -19 C)
elektrolitička disocijacija = stvaranje pozitivnih i negativnih iona bez električnog polja
elektroliza = stvaranje pozitivnih i negativnih naboja pod djelovanjem električnog polja
otopine kiselina, lužina ili soli = elektroliti pozitivni i negativni ioni vode struju
čista destilirana voda izolator
anioni - nemetali (kiselinski ili lužinski ostatak - SO4, OH)
kationi - metali, vodik
ioni u pokretu = struja
Faradayev zakon - ukupna prenesena masa elektrodi
struja iona prijenos mase
e/mA 1elektrokemijski ekvivalent iona
(kg) AQAItm
kg
A - elektrokemijski ekvivalent u kg/CQ - električni naboj u C,
izlučena masa prolazom struje kroz elektrolit proporcionalna je elektrokemijskomekvivalentu i količini elektriciteta
e
ntItnmm
1
m1 - masa iona u kgt - vrijeme u s
e - električki naboj jednog iona
izlučena masa u molima (metali gram-atomimi, spojevi gram-molekule)
a to je Faradayeva konstanta
Tu količinu elektriciteta nazivamo farad (F), gdje je 1F = 96489 C
(C/mol) 96489NeQ
jedan mol (količina tvari) = masa u gramima (jednaka molekularnoj težini) uz isti broj molekula svaki mol prenosi istu količinu elektriciteta
(naboj od jednog elektrona po molekuli) 1 mol prenosi
prijenos mase - presvlačenje metalom (galvanizacija)
prijenos mase - elektroliza (iz glinice Al; čisti bakar)
(Broj molekula u molu određen je Avogadrovim brojem N = 6,022 1023)
I/UR dE
Elektrokemijski elementi - primarni
polarizacija anoda (-SO2 ) katoda (+H2 )
I/)EU(R pdE
kao različiti materijali
razlika elektrokemijskog potencijala različitih materijala
razlika elektrokemijskog potencijala istih materijala
zatvoreni strujni krug
pEEU
otvoreni strujni krug
elektrokemijski izvori električne energije
primarni elementi - suzbijanje polarizacije - vijek trajanja
sekundarni elementi - polarizacija stvara razliku potencijala proces reverzibilan (akumulatori) polarizacija - punjenje depolarizacija - pražnjenje
PbSO4 PbSO4
U=Eo+pRa
anoda PbSO4 +SO4 + H2O PbO2 + 2H2SO4
Olovni akumulatori
PUNJENJE
anoda+katoda PbSO4 +H2SO4 + 2H2O + PbSO4 PbO2 + 3H2SO4 + Pb
katoda PbSO4 +2 H Pb + H2SO4
prazangustoća = 1,1 g/cm3
pungustoća = 1,285 g/cm3
Ipr=Eo/(R+Ra)
anoda PbO2 + 2H + H2SO4 PbSO4 + 2H2OPRAŽNJENJE
anoda+katoda PbO2 + H2SO4 + Pb 2PbSO4 + 2H2O
katoda Pb + SO4 PbSO4
prazangustoća = 1,1 g/cm3
pungustoća = 1,285 g/cm3
(Fe)
Alkalni akumulatori
(Fe)
PUNJENJE
U=Eo+ IpRaFe
anoda 2Ni(OH)2 2Ni(OH)3
katoda Cd(OH)2 Cd ili Fe(OH)2 Fe anoda + katoda
2Ni(OH)2 + KOH+Cd(OH)2 2Ni(OH)3 + KOH + Cd ili
2Ni(OH)2 + KOH+Fe(OH)2 2Ni(OH)3 + KOH + Fe
(Fe)Fe
Fe (OH2)
anoda 2Ni(OH)3 2Ni(OH)2
katoda Cd Cd(OH)2 ili Fe Fe(OH)2
anoda + katoda
2Ni(OH)3 + KOH + Cd 2Ni(OH)2 + KOH + Cd(OH)2
ili
2Ni(OH)3 + KOH + Fe 2Ni(OH)2 + KOH + Fe(OH)2
kalijeva lužina - izvor iona za provođenje struje
PRAŽNJENJE
U=Epr- IprRa
vrste akumulatora Pb kiselina Ni Cd Ni MH Li Ion Li polimer Alkalnigustoća energija Wh/kg 30 40 - 60 60 - 80 100 150 - 200 80ciklusa punjenja 200 - 500 500 - 1500 500 500 - 1000 100 - 150 10brzo punjenje sati 8 - 16 1 2 - 4 3 - 4 6 - 15 2 - 3samopražnjenje mjesečno u % 5 20 30 10 10 0,3napon čelije 2 1,2 - 1,25 1,2 - 1,25 3,6 2,7 1,5brzina pražnjenja Ah kapacitet 0,2 > 2 0,5 - 1 < 1 0,2 0,2održavanje (dopunjavanje) 3-6 mjeseci 30 dana 60 dana ne treba ne treba ne trebaosjetljivost na prepunjavanje visoka srednja niska niska niska niska
Elektrolitički ventili
u elektrolit uronjen Al + drugi metal
na Al minus (-) a na drugi metal plus (+)
zbog elektolitičke disocijacije teće struja
na Al plus (+) a na drugi metal minus (-)
gotovo da nema struje
elektrolitički kondenzatori (mala debljina izolacije)
umjesto Al spužvasti Ta
ELEKTRIČNA STRUJA KROZ VAKUUM
napon na elektrone potencijalna energija kinetička
Q=1,602 10-19 Cme=9,107 10-31 kgU=napon V
brizna koju postižu elektroni
v= 0,5931 106 U1/2 ~ 0,6 106 U1/2
)s(kgm 2
122
vmUQ e
izvor elektrona
ELEKTRIČNA STRUJA KROZ PLINOVE
tlak > atmosferskog (visokotlačne žarulje, komore za prekidanje luka)
tlak = atmosferskom (atmosferka pražnjenja - električni luk, korona)
tlak = 10-1 atmosferskog (neonske i fluorescentne svjetiljke)
tlak = 10-5 atmosferskog (živini usmjerivači)
tlak = 10-8 atmosferskog (vakuum, elektronske cijevi - zaostale molekule)
tlak plina jedan od bitnih parametara za uvjete toka elektrona kroz plin
kemijska reakcija plina na elektrode inertni plinovi
tok elektrona brojni sudari električki nabijenih čestica i molekula plina
atom - apsorbira, prenosi, predaje energiju
energiju uzima od drugog atoma ili predaje drugom atomu plina
elektrode i stijenke uređaja (atomi) primaju i davaju energiju
atom (molek.) plina može imati i prenositi potencijalnu i kinetičku energiju
- uzbuđeno stanjedovođenje energije atomu - metastabilno stanje - ionizacija
svi elektroni na najnižim razinama normalno stanje
energija unutar atoma potencijalna energija
vezani elektroni u višu ljusku uzbuđeno stanje (n kvanta u J)
minimalna energija uzbude živina para - 7,52 10-19Jhelij - 31,52 10-19J
vezani elektron natrag foton (ispuštanje energije - zračenje)
područja zračenja - rendgensko, ultravioletno, vidljivo, infracrveno, NF elemag.
trajanje uzbuđenog stanja ~ 10-8s
frekvencija zračenja (Hz) h
qf E
qE - količina energijeh - Planckova konstanta 6,6256 10-34 Js
vezani elektron u višoj ljusci - sam ne oslobađa foton metastabilno stanje
trajanje metastabilnog stanja ~ 10-1s
prenos energije na velike udaljenosti - jedan od bitnih činilaca provođenja struje plinovima
predavanje energije drugom atomu plina, elektrodi ili stijenci (granica prostora)
elektron se oslobađa atoma ionizacija
pozitivni ion - masa ~ masi atomanaboj = naboj elektrona ali suprotnog predznaka
slobodni elektron i pozitivni ion moguće neovisno kretanje
elektično polje slobodni elektron i pozitivni ion - usmjerno i ubrzano kretanje
masa u kretanju kinetička energija
sudar pozitivni ion i elekton atom normalnog stanja + energija (zagrijavanje)
negativni ion - masa ~ masi atoma naboj = n naboja elektrona
(inertni plinovi, živine pare)
kisik veže na sebe elektrone i smanjuje vodljivost prostora
vlastita energija negativnog iona << vlastita energija pozitivnog iona
minimalna energija ionizacije živina para - 16,64 10-19Jhelij - 139,2 10-19J
promjer molekule 10-8 elektrona 10-13 molekule u kretanju velike prepreke elektronu
sudari elektrona, iona i molekula
brzina kretanja molekula zanemariva obzirom na brzine elektrona
kretanje elektrona veoma nepravilnozbog sudara s molekulama
između dva sudara slobodna staza
sudari i slobodne staze jedan od glavnihfizikalnih parametara provodljivosti plinova
pozitivni ioni se pri sudaru s nabijenom površinom nutraliziraju i pri tome oslobađajuenergiju ionizacije, a djelomično i kinetičkuenergiju, što može uzrokovati zagrijavanje
ili zračenje, a to može biti i korisno i razornona fotone ne djeluje električno polje ali mogu uzrokovati višestruke ionizacije
prenošenjem energije metastabilni atomi mogu predavati energijupri sudaru s neutralnim atomima
plinom punjena cijev
Izbijanje u plinovima
Faradayeva tz zatam.zatam.
Tinjavo izbijanje korisno - izvor svjetlosti (tinjalice) i stabilizacija napona
električno polje + ioni uz katodu (uz nju najvećakoncentracija) kompenziraju djelovanje prostornog naboja elektrona nastalih u sudarima blizu katode električno poljeuglavnom između katode i pozitivnih iona(katodni pad potencijala)
svjetlo tinjavog izbijanja prekriva površinu katodeovisno o jakosti struje gustoća struje konst. pad napona neovisan o (horiz.dio karakt)
vrijedi do )(A/cm 2bn paJ
Jn- normalna strujna gustoća tinjanja A/cm2
a i b- parametri ovisni o plinu i materijalu elektrodep- tlak plina izražen u Pa
za struju kroz plin minimalno polje gotovo linearni pad napona (vodljiva plazma)zbog linearnih sudara iona i elektrona i oslobađanja fotona u vidljivom spektru
uz anodu (pristigli elektroni) minimalno polje minimalni pad napona
strujno opterećenje tinjalica do prekrivanja površina elektroda
iznad te struje povećanje strujne gustoće povećanje pada napona na katodi i između elektroda (zasićeno tinjanje)
povećanje napona među elektrodama proboj - paljenje električnog luka –
(naglo povećanje struje uz smanjenje pada napona među elektrodama) lučno izbijanje (električni luk)
pad napona ili napon luka - ispod napona ionizacije plina
ograničenje struje lučnog izboja određuje uglavnom otpor izvora napajanjaa manjim dijelom pad napona električnog luka
Plinom punjene cijevi
ispod napona Ua gotovo da nemastuje (elektroni gotovo ne mogukroz prostor ispunjen plinskimmolekulama, minimalan utjecaj
ioniziranih molekula plina)
iznad nekog napona Ua (napon paljenja)elektroni izazivanju lanačanu reakcijustruja se ograničava sa R
povećanje struje uz neznatan pad napona
raspodjela potencijala kao i pri tinjavom izbijanju
međuelektrodni prostor diode se dijeli - katodno područje ili područje iona, u neposrednoj blizini katode,- ostalo područje plina, tzv. plazmu
u slobodnom prostoru (zraku) - linearno
u vakuumu - udaljenost na 4/3 (zbog negativnog prostornognaboja elektrona u području katode)
plinske cijevi - pozitivni prostorni naboj
Prostorna raspodjela potencijala
Plinska trioda
umetnuta rešetka
kad cijev provede rešetka više ne djeluje
prednaponom se određuje početak vođenja
Fluorescentne cijevi
žarne niti prvo zagrijavaju prostor cijevi isparavanje žive živine pare
žarne niti elektrode (izmjeničan napon > od napona paljenja) stvaranje plazmepo cijeloj dužini ultravioletno zračenje uzbuđivanje premaza fluorescentni
premaz vidljivo svijetli
vidljivi spektar frek. el.mag. zračenja 4·1014 Hz (crveno) do 7,5·1014 Hz (ljubičasto)
brzina el.mag. valova u slobodnom prostoru 3·108 m/s
elektroni samo određene razine energije u atomskoj strukturi
(J) fhWWW kpq
Wq - energija dovedena elektronu (prije zračenja) u JWp - početna energija (prije zračenja) u JWk - konačna energija (nakon zračenja) u Jh - Planckova konstantaf - frekvencija zračenja u Hz
minimalna energija uzbuđivanja atoma žive - 7,44·10-19 Jminimalna energija uzbuđivanja atoma natrijuma - 3,344·10-19 J
Hz 102311106246
10447 1434
19
,,
,f )Hg( Hz 10055
106246
103443 1434
19
,,
,f )Na(
natrijske svjetiljke bez premazaživine svjetiljke - boja svijetla ovisi o unutarnjem premazu (prah)
Rendgenske cijevi
elektroni udaraju u antikatodupod nekim kutem
zbog apsorpcije njihove kinetičkeenergije elektromagnetskozračenje okomito na površinu
rendgensko zračenje ne utječe napromjenu strukture i energije atoma
frekvencija elektromagnetskog zračenja - 1018 - 1022 Hzizmeđu ultravioletnog svjetla i gama-zraka (dijelom se prekriva s oba područja)