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)