Означення коливального руху, періоду, амплітуди та частоти коливань.
Види самостійного газового розряду
Залежно від властивостей і стану газу, характеру і розміщення електродів, а також від прикладеної до електродів напруги виникають різні види самостійного розряду.
Тліючий розряд спостерігається при низьких тисках і напрузі між електродами в кілька сотень вольт.Тліючий розряд використовують у рекламних трубках. Якщо трубка наповнена неоном, то виникає червоне світіння, якщо аргоном - то синювато-зелене. У лампах денного світла розряд у парі ртуті.
Електрична дуга - явище виникнення яскравого світного стовпа газу між двома вугільними електродами при низькій температурі.Електрична дуга утворюється так. Спочатку зближують і вводять у контакт вугільні електроди, замикаючи коло. Внаслідок теплової дії струму, що проходить через точкові контакти з великим електричним опором, кінці електродів розжарюються до світіння. З поверхні електродів при цьому вилітають з великою швидкістю електрони і через зіткнення йонізують газ у прилеглому просторі. Якщо розвести електроди в сторони, то електричний струм в колі не припиняється, він проходить через йонізований газ, що супроводжується його розжаренням та світінням.
Дуговий розряд - потужне джерело світла. Його використовують у прожекторах, проекційних апаратах і кіноапаратах. У металургії досить поширені електропечі, в яких джерелом тепла є дуговий розряд. Дуговий розряд використовують для зварювання металів.
При коронному розряді світна область нагадує корону, він утворюється при атмосферному тиску поблизу загострених частин провідника з великим електричним зарядом.
Газ у цьому разі йонізують ударом електрони, прискорені сильним електричним полем , що виникає поблизу загострених заряджених провідників. Перед грозою або у грозу часто на вістрях і гострих кутах високо піднятих предметів спалахують схожі на щіточки конуси світла. Коронним розрядом не можна нехтувати., якщо маєш справу з високою напругою. Коли є наступні частинки або дуже тонкі проводи, то може виникнути коронний розряд. Це призводить до втрат електроенергії. Чим вища напруга високовольтної лінії, тим товщими мають бути проводи.
Іскровий розряд виникає при високій напрузі між електродами в повітрі і має вигляд пучка яскравих зигзагоподібних смужок, що відгалужуються від тонкого каналу.
Він триває всього кілька десятків мікросекунд і зазвичай супроводжується характерними звуковими ефектами (температура газу і тиск в області розряду різко підвищується, в результаті повітря швидко розширюється і виникають звукові хвилі). Прикладом іскрового розряду в природі є блискавка. Під час грози відбувається перерозподіл зарядів у газовій хмарі, тому різні частини хмари заряджаються зарядами протилежних знаків. Зазвичай нижні шари хмари мають негативний заряд, а верхні позитивний. Напруга між хмарою та Землею сягає кількох сотень мільйонів вольт. Завдяки ударній йонізації, а далі - йонізації випромінюванням, яке супроводжує розряд, в електричному полі між хмарою та Землею виникає короткочасний газовий самостійний газовий розряд - блискавка. У техніці іскровий розряд використовують у запальних свічках бензинових двигунів.
Закон Фарадея (Розв'язування задач).
№ 1
Електроліз у розчині з сіллю нікелю тривав протягом 40 хв. Яка маса нікелю виділилась на катоді, якщо сила струму, за якого проходив електроліз, весь час була 1,5 А?
Розв'язування:
Запишемо електрохімічний еквівалент нікелю: \(k=0,3 \frac{мг}{Кл}=0,3\cdot 10^{-6}\frac{кг}{Кл}\). За першим законом Фарадея знаходимо масу нікелю, яка виділилась на катоді:
\(m=k\cdot I\cdot t=0,3\cdot 10^{-6}\frac{кг}{Кл}\cdot 1,5 А\cdot 2400 c=0,00108 кг\)
Відповідь: 1,1 г.
№ 2
Через електролітичну ванну з розчином хлориду міді (CuCl) пройшов заряд 600 Кл. Скільки чистої міді було отримано під час електролізу?
Розв'язування:
Запишемо електрохімічний еквівалент чистої міді та за першим законом Фарадея обчислимо її масу:
\(k=0,66 \frac{мг}{Кл}=0,66\cdot 10^{-6}\frac{кг}{Кл}\).
\(m=k\cdot q=0,66\cdot 10^{-6}\frac{кг}{Кл}\cdot 600 Кл =0,000396 кг\)
Відповідь: 0,4 г.
№ 3
За якої сили струму проводився електроліз водяного розчину мідного купоросу, якщо за 15 хв на катоді виділилося 2 г міді?
Розв'язування:
Запишемо електрохімічний еквівалент міді (\(Cu^{2^+}\)) та використавши перший закон Фарадея, обчислимо силу струму , за якої проводився електроліз:
\(k=0,33 \frac{мг}{Кл}=0,66\cdot 10^{-6}\frac{кг}{Кл}\).
\(m=k\cdot I\cdot t\Rightarrow I=\frac{m}{k\cdot t}=\frac{2\cdot 10^{-3} кг}{0,33\cdot 10^{-6}\frac{кг}{Кл}\cdot 900 c}=6,7 А\)
Відповідь: 6,7 А.
№ 4
За який час на катоді електролітичної ванни виділиться 40 г хрому, якщо електроліз проходить за сили струму 25 А?
Розв'язування:
\(k=0,18 \frac{мг}{Кл}=0,18\cdot 10^{-6}\frac{кг}{Кл}\).
\(m=k\cdot I\cdot t\Rightarrow t=\frac{m}{k\cdot I}=\frac{40\cdot 10^{-3} кг}{0,18\cdot 10^{-6}\frac{кг}{Кл}\cdot 25 А}\approx 2 год 28 хв\)
Відповідь:
№ 5
Металеву деталь покривають шаром нікелю за допомогою електролізу протягом 5 год. Сила струму весь час електролізу становить 0,5 А, площа поверхні деталі складає 200 сантиметрів квадратних. Якої товщини осів на поверхні деталі шар нікелю?
Розв'язування:
Знайдемо табличні дані:
\(k=0,3 \frac{мг}{Кл}=0,3\cdot 10^{-6}\frac{кг}{Кл}\).
\(\rho_{нікелю}=8900 \frac{кг}{м^{3}}\)
\(m=k\cdot I\cdot t\)
\(m=\rho\cdot V=S\cdot h\), де \(S\) - площа поверхні деталі, \(h\) - товщина шару нікелю.
\(S\cdot h\cdot \rho_{нікелю}=k\cdot I\cdot t\Rightarrow h=\frac{k\cdot I\cdot t}{S\cdot \rho_{нікелю}}\)
\(h=\frac{0,3\cdot 10^{-6}\frac{кг}{Кл}\cdot 0,5 А\cdot 18000 c}{200\cdot 10^{-4}м^2 \cdot 8900 \frac{кг}{м^3}}=15\cdot 10^{-6} м\).
Відповідь: 15 мкм (мікрометрів).
№ 6
Під час електролізу виділилося 128 г міді (\(Cu^{2^+}\)). Визначте витрачену енергію, якщо напруга на електролітичній ванні становила 5 В.
Розв'язування:
Під час проходженню струму виконується робота по переміщенню електричного заряду та виділяється енергія, яка дорівнює виконаній роботі: \(A=Q\).
За першим законом Фарадея та законм Джоуля-Ленца тримаємо рівність:
\(\frac{m}{k}=\frac{Q}{U}\Rightarrow Q=\frac{m\cdot U}{k}=\frac{128\cdot 10^{-3}кг\cdot 5 В}{0,33\ cdot 10^{-6}\frac{кг}{Кл}}=1939393,9 Дж =1,9\cdot 10^6 Дж = 1,9 МДж\).
Відповідь: 1,9 МДж.
Електричний струм у газах
Гази є добрими ізоляторами тому, що за звичайних умов - низьких температурах і відсутності зовнішнього опромінення - вони складаються з нейтральних атомів або молекул. У них немає вільних електричних зарядів, упорядковане переміщення яких і спричиняє електричний струм. Однак за деяких умов можна одержати електричний струм і в газах.
Процес проходження електричного струму крізь газ називають газовим розрядом.
Наприклад. Зарядимо алюмінієві диски, з'єднані провідниками з виводами електрометра. Спостерігаємо, що відхилення стрілки електрометра залишається сталим, тому що електрична провідність повітря за умов кімнатної температури та сухого повітря дуже мала, і пластини помітно не розряджаються. Внесемо у простір між дисками полумя від запаленої свічки. Спостерігаємо швидкий розряд електрометра. Повітря внаслідок значного підвищення температури набуло провідності й замкнуло коло, тобто в нагрітому газі протікає електричний струм.
Внаслідок нагрівання або випромінювання частина атомів газу йонізується - розпадається на позитивно заряджені йони й електрони. Йонізація газів під час нагрівання пояснюється тим, що деякі молекули починають рухатися так швидко, що частина з них під час зіткнення розпадається, перетворюючись на йони.У нашому досліді полумя свічки виконувало роль йонізатора, тобто джерела йонів.
Процес, який забезпечує йонізацію і подальший розвиток газового розряду, називають йонізатором.
Механізм провідності газів подібний до механізму провідності розчинів і розплавів електролітів, але відмінність полягає в тому, що негативний заряд переноситься в основному не негативними йонами, а вільними електронами, хоча провідність за рахунок негативних йонів також може відігравати певну роль. Якщо ми припиняємо нагрівати або опромінювати газ, то він знову стає діалектриком.
Газовий розряд, який відбувається тільки за наявності зовнішнього йонізатора, називають несамостійним газовим розрядом, а газовий розряд, який відбувається без дії зовнішнього йонізатора, називають самостійним газовим розрядом.
Залежно від властивостей і стану газу, характеру і розміщення електродів, а також від прикладеної до електродів напруги виникають різні види самостійного розряду.
Електричний струм у розчинах та розплавах електролітів.
Вивчаючи явища електричного струму в різних середовищах, переконаємося, що електричний струм, окрім металів може існувати також у рідинах і газах і у вакуумі. У цих випадках розглядатимемо замкнене коло, в якому є ділянка провідника, що складається з речовини в рідкому чи газоподібному стані, або зовсім не містить речовини, тобто є вакуумним проміжком. Провідники, які підводять струм до цієї ділянки називають електродами. Електрод, приєднаний до позитивного полюса джерела струму, називають анодом, а приєднаний до негативного полюса - катодом. Під час проходження струму до анода притягуються вільні електрони й негативні йони (аніони), а до катода - позитивні йони (катіони). Для існування електричного струму в речовині, вміщеній в електричне поле (особлива форма матерії, що існує навколо заряджених тіл або частинок і діє з деякою силою на інші частинки, які мають електричний заряд) обов'язковою умовою є наявність рухомих, або вільних, електричних зарядів, тобто таких, які можуть в речовині переміщуватися під дією електричного поля на відстані, обмежені тільки розмірами зразка. В металевих провідниках носіями струму є вільні електрони, а йони металу жорстко зв'язані у вузлах кристалічних ґраток і можуть здійснювати лише коливальні рухи. У подібному зв'язаному стані перебувають йони в інших твердих тілах з йоною структурою - йонних кристалах, прикладом яких є звичайна кухонна сіль (\(NaCl\)). Вільних носіїв електрики в йонних кристалах немає, тому при невисоких температурах вони є добрими ізоляторами. Якщо спробувати утворити електричне коло, зануривши два провідники, приєднанні послідовно з мікроамперметром до джерела струму, у посудину з кристаликами сухої кухонної солі - ніякого струму мікроамперметр не зареєструє. Якщо ж надати йонам рухливості, перевівши йонні кристали в рідкий стан шляхом їх нагрівання і розплавлення, то речовина стане провідником струму. Розплави солей, розчини солей, кислот і лугів проводять струм. Дистильована вода, що має молекулярну структуру, є гарним ізолятором, оскільки в ній немає вільних електричних зарядів, отже, у ній не може виникнути електричний струм.
Речовини, водні розчини або розплави яких проводять електричний струм, називають електролітами.Якщо розчинити у воді яку-небудь сіль, кристалики якої мають йоннну структуру, наприклад кухонну сіль або мідний купорос, то в колі виникне струм. Відбувається тому, що молекула води полярна, тобто її можна уявити об'єктом видовженої форми, на кінцях якого зосереджені електричні заряди протилежних знаків. Відтак електричне поле молекул води сприяє розпаду йонних кристалічних ґраток на вільні йони.
 |
| Схема дослідження електричного струму в рідинах |
Розщеплення електроліту на йони у водному розчині або розплаві називають електролітичною дисоціацією
Проходження електричного струму через електроліт характеризується тим, що відбувається перенесення хімічних складових електроліту й ті виділяються на електродах - осідають у вигляді твердого шару або виділяються у газоподібному стані.
Процес виділення речовин на електродах, пов'язаний з окисно-відновними реакціями, які відбуваються на електродах під час проходження струму, називають електролізом.
Уперше явище електролізу докладно вивчив англійський фізик Майкл Фарадей. Він сформулював закон, який згодом був названий законом електролізу, або першим законом Фарадея:
Маса речовини, яка виділяється на електроді, прямопропорційна заряду, який пройшов через електроліт:
\(m=k\cdot q\) або \(m=kIt\)
де \(m\) - маса речовини, \(k\) - коефіцієнт пропорційності, який називається електрохімічним еквівалентом, \(q\) - значення електричного заряду. Електрохімічний еквівалент чисельно дорівнює масі певної речовини, яка виділяється на електроді внаслідок проходження через електроліт заряду 1 Кл. Одиницею електрохімічного еквіваленту в СІ є кілограм на кулон (частіше подають у міліграмах на кулон \(1 мг/Кл = 1\cdot 10^{-6} кг/Кл\)).
Рівномірний рух матеріальної точки по колу. Період та частота обертання
Рівномірний рух матеріальної точки (фізична модель тіла, рохмірами якого в умовах даної задачі можна знехтувати) по колу - такий криволінійний рух (траєкторія, якого крива лінія), у ході якого точка, рухаючись коловою траєкторією, за будь-які рівні інтервали часу проходить однаковий шлях. Рівномірно по колу рухаються, наприклад, кабінки олядового колеса.
Період обертання - фізична величина, яка дорівнює часу, за який матеріальна точка, що рівномірно рухається по колу, здійснює один оберт. Період обертання позначається символом \(T\). Одиниця періоду обертання в Інтернаціональній Системі - секунда. Що бвизначити період обертання, слід підрахувати кількість обертів \(N\), здійснених за інтервал часу \(t\), і скористатись формулою:
\(T=\frac{t}{N}\)Обертова частота - фізична величина, яка дорівнює кількості обертів за одиницю часу. Обертову частоту позначають \(n\) і визначають за формулою:
\(n=\frac{N}{t}\)
де \(t\) - час обертання, \(N\) - кількість обертів, здійснених за час \(t\). Обертова частота вимірюється в обертах за секунду (об/с).
Чим більшим є піріод обертання тіла, тим меншою є його обертова чатота, і навпаки. Якщо тіло рівномірно рухається по колу, то за час, який дорівнює періоду обертання, тіло робить один оберт, тобто долає шлях, який дорівнює довжині кола.