电解质溶液\气体导电的原理及电流的计算:电解质一定能导电吗
时间：2019-02-10 03:15:48 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
金属导体导电是依靠自由电子作为载流子导电;半导体材料导电是依靠电子-空穴对作为载流子导电;液体导电是依靠液体中电离的离子作为载流子进行导电(汞除外);电解质溶液里电解质电离出阳离子和阴离子,在给它加上电压后,阳离子和阴离子就会在电场力的作用下定向移动形成电流,这就是电解液导电。
在通常情况下气体分子是电中性的,一般不导电,导电气体是因为气体分子在其他因素(宇宙射线或高电压等条件)作用下,能产生等离子体,如有足够多的电子和离子存在,那么在气体中也能产生电流,即气体导电。具体讲,在地面放射性元素的辐照,以及紫外线和宇宙射线等的作用下,或多或少总有一些气体分子或原子被电离,即原来是电中性的气体分子或原子分离为一个电子和一个带正电的离子。此外,在有些灯管内,通电的灯丝也会发射电子。当在灯管两端的电极间加上一定的电压时,外加电压迫使这些电子和正离子各向阳极和阴极运动,不过此时灯管内的正离子和电子为数甚少,故所形成的电流十分微弱,在通常情况下可以忽略不计。但是,若灯管中的气体相当稀薄但不是真空,灯管两端电极上加的电压足够高,则电子在向阳极运动的过程中可以得到很大的动能,它们和中性气体相碰撞时,可以使中性分子电离,即所谓碰撞电离,即气体导电是电离,导电能力不是由具有固定特性的材料决定的。同时,在正离子向阴极运动时,由于以很大的速度撞到阴极上,还可能从阴极表面上打出电子来,这种现象称为二次电子发射。碰撞电离和二次电子发射使气体中在很短的时间内出现了大量的电子和正离子。在外电压作用下这些电子和正离子向相反的方向运动。气体中就有了电流通过。常见的气体放电灯,如日光灯、霓虹灯、高压汞灯、氙灯等的灯管中都充有一定量的气体,当两端加上一定电压时,在气体中就有电流流过。在常压下的气体是不易导电的,像空气就是很好的绝缘物质,一般情况下是不导电的。使这些气体由不导电变为导电的过程称为气体击穿。雷雨时天空中的闪电就是空气被击穿形成的。通常情况气体导电是在稀薄气体中发生。常压气体不易导电,在比较高的真空中因为电子和离子不易碰到中性粒子,故也不能发生气体电流。上述的气体电离导电均属自激放电。但只靠这种碰撞电离不能长久维持自激放电,因为碰撞产生的所有电子都要向阳极运动,到了阳极便停止了。要想长久地维持放电,必须使阴极不断地提供电子。一般阴极均装有能发射电子的灯丝。
关于导体电流的计算问题,涉及电解液导电时电流大小的计算,有的学生不是很清楚,我就此问题谈谈自己的看法。
电流的定义:通过导体横截面的电荷量q跟通过这些电荷量所用时间t的比值,叫做流过这段导体的电流强度,简称电流,即:I=。电流的方向跟正电荷定向移动的方向相同,跟负电荷定向移动的方向相反。对于金属导体导电,因为在金属导体中,可以自由移动的电荷是自由电子,当金属导体两端加上电压,在导体中形成电场,在电场力作用下,自由电子定向移动形成电流,用I=计算电流,只是q指的是t时间内流过导体某一横截面的负电荷电量的绝对值,且自由电子定向移动的反方向为电流方向。
对于电解液导电时就不这么简单。因为在电解液中同时存在着正离子和负离子,当在电解液的两个电极上加上电压,电解液的两极间就形成电场,在电场力的作用下正、负两种离子都要定向移动,且定向移动方向相反(负离子向阳极移动,正离子向阴极移动),这样参与形成电流的离子既有正离子又有负离子,它们同时沿反方向穿过某一横截面形成电流,因此,在计算时要注意。现通过实例加以说明。
例一:在10s时间内,通过电解槽某一横截面向右迁移的正离子所带的电荷量为2c,向左迁移的负离子所带电荷量为3c,那么电解槽中电流的大小为
该题可以这样理解:正离子向右移动形成的电流I==A=0.2A;负离子向左移动形成的电流I==A=0.3A。两个电流的方向相同都向左,所以,I=I+I=0.5A。
该题型还有如下的问法:如下例:
例二:若t时间内到达正极板的电荷量为-q,到达正极板的电荷量为+q,则电解液中t时间内的平均电流为
处理这个问题时应该注意:题设为到达正、负极板的电荷量绝对值均为q(到达正、负极板的电荷量的绝对值一定相等)。计算电流时还要根据电流的定义,要看t时间内穿过电解液某一横截面的电荷量。简单起见,我们将这个截面设置在电解液的正中央,如图示。因为电解液中正负离子是均匀分布的,所以t时间内到达正极板的电荷量-q中,只有截面右边的-的电量向左穿过图中截面。同理:t时间内到达负极板的电荷量+q中,只有截面左边的+的电量向右穿过图中截面。依例一可知:电解液中的电流I==,而非。
由以上两例可以看出:在计算电解液导电或电离气体导电时,一定要紧紧抓住电流的定义,即:穿过导体某一截面的电荷量q跟通过这些电荷量所用时间t的比值。只有这样才能得出正确结论。
读者可以用以下练习加以巩固:
练习一:某电解液,如果在1s内有5×10个二价正离子和1.0×10个一价负离子通过某截面,那么通过这个截面的电流强度为()。
练习二:一硫酸铜电解槽的横截面积为2m。在0.04s内若相向通过该电解槽的铜离子和硫酸根离子分别为5.625×10个和4.375×10个,则电解槽中的电流强度是多大?方向如何?
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