„Opisz przepływ pradu elektrycznego elektrycznego w stanie stałym i roztworach wodnych”

Spis treści:

1. Na czym polega przepływ prądu elektrycznego w ciałach stałych, cieczach i gazach.

1. przewodniki

2. półprzewodniki

3. izoltory

2. Dlaczego oporniki stawiają opór dla prądu elektrycznego.

3. Cieplne skutki przepływu prądu elektrycznego.

4. Szeregowe, równoległe i mieszane łączenie oporników- przykłady

5. Elektroliza

6. Mechanizm elektrolizy

7. Proces elektrolizy

8. Elektroliza wody 

9. Elektroliza a generowanie prądu w ogniwach

1. Na czym polega przepływ prądu elektrycznego w ciałach stałych, cieczach i gazach.

Elektryczność zauważył już w V w. p.n.e. Tales z Miletu, przeprowadził on proste doświadczenie - pocierał suknem bursztyn, który uzyskiwał w ten sposób zdolność przyciągania drobnych ciał. Później dopiero po upływie ponad 2000 lat, angielski filozof i fizyk William Gilbert, stwierdził, że nie tylko bursztyn, ale i wiele innych ciał posiada taką właściwość. Po potarciu zachowują się one bardzo podobnie jak bursztyn. Zjawisko to Gilbert nazwał elektrycznością, od greckiego słowa "elektron" - co znaczy "bursztyn". Natomiast elektryzowaniem ciał przez potarcie nazwano czynność pocierania ciał, której wynikiem jest uzyskanie przez nie właściwości przyciągania/odpychania innych, drobnych ciał. Zjawisko to polega na tym, że przy pocieraniu jedno ciało oddaje elektrony, a drugie je przyjmuje. W ten sposób, pierwsze ciało ma przewagę ładunków dodatnich - czyli naelektryzowało się dodatnio, a drugie ciało ma przewagę ładunków ujemnych, czyli naelektryzowało się ujemnie. Można to bardzo łatwo potwierdzić doświadczalnie - gdy naelektryzujemy np. gazetę i przyłożymy ją do neonówki, wtedy gaz w neonówce zacznie lekko świecić. Gdy wykonamy wiele takich doświadczeń, za każdym razem elektryzując inne ciało i sprawdzając jego właściwości, zauważymy pewną prawidłowość. Mianowicie, ciała te oprócz wywoływania świecenia neonówki, co świadczy o faktycznym ich naelektryzowaniu, wykazują również pewne oddziaływania na odległość. Badane ciała możemy podzielić na dwie grupy, ze względu na rodzaj charakteryzującego je oddziaływania. Jedne z nich przyciągają drobne ciała, tak jak naelektryzowany bursztyn, a inne odpychają te ciała.

Właściwość, która decyduje o tym, czy ciało przyciąga czy odpycha inne jest tzw. ładunek elektryczny. Wyróżniamy dwa rodzaje ładunków: dodatnie (oznaczane "+") i ujemne (oznaczane "-"). Ładunki tego samego znaku - jednoimienne - wzajemnie się odpychają. Natomiast ładunki różnych znaków - różnoimienne - wzajemnie się przyciągają.

Ze względu na swe małe rozmiary, same cząstki o ładunku ujemnym zostały odkryte dopiero w 1897 roku przez Josepha Johna Thomsona. Odkrył on je w czasie badania przepływu prądu przez gazy rozrzedzone. Nieco później pojedyncze cząstki o ładunku ujemnym nazwano elektronami. Natomiast uporządkowany ruch ładunków elektrycznych nazwano prądem elektrycznym (ze względu na podobieństwo do przepływu prądu rzeki). Ruch ładunku obserwujemy w czasie ruchu cząstek, które posiadają ten ładunek - tzw. nośników prądu. Rolę nośników mogą pełnić elektrony (ujemny nośnik), lub jon(dodatni nośnik). Zjawisko "przenoszenia - przekazywania" ładunków elektrycznych (prądu elektrycznego) przez nośniki prądu, pod wpływem pola elektrycznego nazywamyprzewodnictwem elektrycznym. Prąd elektryczny może przepływać przez różne substancje z większą lub mniejszą łatwością, w zależności od oporu elektrycznego, który z kolei zależy od własności danej substancji (o tym w temacie poniżej). Nasilenie oporności elektrycznej w danych substancjach powoduje, że dzieli się je na:przewodniki, półprzewodniki i izolatory. Z kolei ze względu na rodzaj nośnika prądu w tych substancjach, wyróżniamy trzy rodzaje przewodnictwa: elektronowe (w metalach i półprzewodnikach), jonowe (w gazach, cieczach i kryształach jonowych), a takżemieszane (np. w plazmie).

a) Przewodniki - najlepiej przewodzą prąd elektryczny i są na szeroką skalę wykorzystywane w urządzeniach elektrycznych. Przykładowe przewodniki: srebro, miedź, złoto, aluminium, żelazo, grafit. Przewodnictwo metali maleje niestety wraz ze wzrostem ich temperatury.

b) Półprzewodniki - to głównie substancje krystaliczne lub wytwarzane w postaci monokryształu, polikryształu, bądź proszku. Warto podkreślić, że opór elektryczny półprzewodników maleje wraz ze wzrostem ich temperatury. Najpopularniejsze półprzewodniki są produkowane z krzemu, germanu, arsenku galu, azotku galu, antymonku indu oraz telurku kadmu. Stosuje się je głównie w diodach i tranzystorach.

c) Izolatory - to materiały, które nie przewodzą prądu, czyli odgradzają - izolują od niego. Przykładowe izolatory: szkło, porcelana, niektóre rodzaje plastiku, suche drewno, suche powietrze, próżnia, a nawet woda, ale tylko wtedy, gdy jest czysta od soli mineralnych, bakterii i innych zanieczyszczeń.

Wiemy już, że domieszki rozpuszczone w wodzie decydują o jej przewodnictwie elektrycznym. Z przewodnictwem zanieczyszczonej wody i innych roztworów wodnych związane są bardzo charakterystyczne reakcje chemiczne. Ich odkrycia dokonał genialny Anglik, samouk Michael Faraday (1791-1867). W swoich badaniach zwrócił on szczególną uwagę, na to, że prąd płynąc przez ciała stałe, nie powoduje zmian chemicznych, natomiast w roztworach wodnych soli, kwasów i zasad staje się przyczyną przemian chemicznych - tzw. rozkładów. Wyjaśnienia szczegółów tych procesów podjął się po Faradayu szwedzki uczony Svante Arrhenius. Jego obserwacje i doświadczenia doprowadziły go do odkrycia przebiegu procesów rozkładu w roztworach wodnych, pod wpływem prądu:

Cząstka każdego kwasu składa się z wodoru i tzw. reszty kwasowej, cząstkę zasady stanowi metal i tzw. grupa OH (grupa wodorotlenowa). Natomiast sól chemiczna jest efektem chemicznego działania któregoś z kwasów na zasadę - dlatego cząsteczka każdej soli to metal oraz reszta kwasowa. Gdy cząsteczka kwasu, zasady, czy soli przebywa w suchym środowisku, to jest zupełnie obojętna elektrycznie (ładunki dodatnie i ujemne są w równowadze), a sama cząsteczka jest spójna w swej budowie. Sytuacja diametralnie się zmienia, gdy taką cząsteczkę umieszczamy w wodzie. Ma wtedy miejsce zadziwiająca reakcja. Cząstka natychmiastowo rozkłada się na swoje składniki, które po rozłączeniu przestają być elektrycznie obojętne. Jeden składnik ma przewagę ładunków ujemnych, a drugi dodatnich - wodór i metale - ładunki dodatnie, reszty kwasowe i grupy wodorotlenowe - ładunki ujemne. Zjawisko to, polegające na rozkładzie cząstek kwasów, zasad i soli w wodzie nazywamy dysocjacją elektrolityczną. Produkty tego rozkładu, będące atomami lub grupami atomów charakteryzującymi się ładunkami różnych znaków, nazwano jonami - odpowiednio dodatnimi lub ujemnymi. Natomiast wodny roztwór tych kwasów, zasad czy soli nosi nazwę elektrolitu.

Najbardziej znanym urządzeniem, którego działanie opiera się na takich reakcjach jest akumulator elektryczny np. samochodowy. Jest to pewnego rodzaju "magazyn" prądu elektrycznego, z którego możemy swobodnie pobierać prąd. Jego główną zaletą jest to, że może być wielokrotnie ładowany i powtórnie używany. Wszystko dzięki odwracalnym reakcjom chemicznym, które zachodzą we wnętrzu akumulatora. A dokładnie w elektrolicie oraz w punkcie stykania się go z elektrodami. Najbardziej popularny jest akumulator kwasowo - ołowiowy. Rolę elektrolitu pełni w nim roztwór kwasu siarkowego, katoda wykonana jest z ołowiu, a anoda z tlenku ołowiu. Wadą tego akumulatora jest w sumie tylko to, że jest masywny w stosunku do swojej pojemności.

2. Dlaczego oporniki stawiają opór dla prądu elektrycznego.

Oporniki są wykonywane z różnego rodzaju metali. Te z kolei zbudowane są z atomów, które są obojętne elektrycznie. Tajemnica stawiania oporu tkwi w zewnętrznych warstwach metalu. Elektrony przy powierzchni metalu są z nim słabo związane. Stosunkowo gęste upakowanie atomów w metalach powoduje dodatkowo, że elektrony z zewnętrznych atomów łączą się w jedną grupę tzw. swobodnych elektronów, wspólnych dla całej zewnętrznej warstwy metalu. Elektrony te swobodnie się poruszają między dodatnimi jonami, które w metalach są regularnie ułożone w struktury - tzw. sieci krystaliczne. Rodzaj tej sieci zależy od właściwości metalu. Zróżnicowanie metali pod względem ilości swobodnych elektronów oraz budowy sieci krystalicznej powoduje właśnie zależność oporu opornika od rodzaju metalu, z którego jest on wykonany. Elektrony płynącego przez opornik prądu zderzają się z dodatnimi jonami sieci krystalicznej opornika, a dodatkową przeszkodę stanowią swobodne elektrony metalu, które podobnie jak prąd "dobijają" się do jonów dodatnich. Pod wpływem zderzeń z elektronami strumienia prądu jony drgają, a amplituda tych drgań wzrasta wraz ze wzrostem temperatury.

3. Cieplne skutki przepływu prądu elektrycznego.

Wiemy już, że elektrony płynącego przez opornik prądu zderzają się z jego dodatnimi jonami oraz swobodnymi elektronami. W momencie zderzeń przekazują im również część swojej energii kinetycznej, która zostaje zamieniona na energię drgań jonów w sieci krystalicznej. Nie następuje jednak ich zatrzymanie, gdyż znajdują się nadal pod wpływem siły pola elektrycznego, która "ładuje" je energią. Siły te muszą wykonać pracę nad ładunkami prądu, w czasie przesuwania ich przez opornik. To właśnie o wartość tej pracy wzrasta energia wewnętrzna przewodnika. Rozgrzany w wyniku przepływu prądu przewodnik, oddaje ciepło do otoczenia

4. Szeregowe, równoległe i mieszane łączenie oporników.

• Szeregowe:

Przy połączeniu szeregowym, każdy opornik umieszczony jest wzdłuż jednej "gałęzi" obwodu. W takim ułożeniu przez wszystkie oporniki przepływa prąd o jednakowym natężeniu I, natomiast napięcie między początkiem, a końcem całej "gałęzi" jest równe sumie napięć na poszczególnych opornikach. Na opornikach połączonych szeregowo następują tzw. spadki napięć, tak więc całkowite napięcie obwodu, rozłożone na poszczególne oporniki zależy od ich oporów.

W obwodzie elektrycznym o szeregowym połączeniu oporników, można obliczyć jego całkowity wypadkowy opór (tzw. rezystencję wypadkową). Jest on równy:

R = R₁+R₂+R₃+ … +R_n

gdzie:

n - ilość oporników układu

R_n - wartość oporu n-tego opornika

• Równoległe:

Przy połączeniu równoległym, każdy opornik umieszczony jest na innej "gałęzi", a wszystkie początki i końce poszczególnych oporników połączone są razem. W takim układzie panuje jednakowe dla wszystkich oporników napięcieU, ale natężenie prądu jest inne dla każdego opornika. Oczywiście do całości tego układu stosuje się Prawo Kirchoffa, czyli prąd dopływający do danego węzła jest równy sumie prądów z niego wypływających. I analogicznie, gdy do węzła wpływa kilka prądów, to ich suma jest równa prądowi wypływającemu z tego węzła (bądź sumie prądów wypływających).

W obwodzie elektrycznym o równoległym połączeniu oporników, można obliczyć jego całkowity wypadkowy opór (tzw. rezystencję wypadkową). Jest on równy:

1/R = 1/R₁+1/R₂+1/R₃+ … +1/R_n

gdzie:

n - ilość oporników układu

R_n - wartość oporu n-tego opornika

• Mieszane:

Jak sama nazwa mówi, mieszane połączenie oporników składa się i z połączeń szeregowych i równoległych. Aby obliczyć opór zastępczy takiego układu, należy rozgraniczyć części układu połączone tymi dwoma różnymi metodami, a następnie liczyć opory zastępcze poszczególnych jednakowo połączonych fragmentów (według wzorów powyżej), aż dojdziemy do stanu, gdy cały układ zostanie zastąpiony przez całkowity opór zastępczy.

5. Elektroliza — w chemii i fizyce - ogólna nazwa na wszelkie zmiany struktury chemicznej substancji, zachodzące pod wpływem przyłożonego do niej zewnętrznego napięcia elektrycznego. W węższym zakresie pojęcie to obejmuje tylko procesy rozkładu.^[1] Elektrolizie towarzyszyć może (choć nie musi) szereg dodatkowych zjawisk, takich jakdysocjacja elektrolityczna, transport jonów do elektrod, wtórne przemiany jonów na elektrodach i inne. W sensie technologicznym przez elektrolizę rozumie się wszystkie te procesy łącznie.

6. Mechanizm elektrolizy:

Elektroliza zachodzi w układach, w których występują substancje zdolne do jonizacji, czyli rozpadu na jony. Samo zjawisko jonizacji może być wywołane zarówno przyłożonym napięciem elektrycznym, jak i zjawiskami nie generowanymi bezpośrednio przez prąd - dysocjacją elektrolityczną, autodysocjacją, wysoką temperaturą, czy działaniem silnego promieniowania.

7. Proces elektrolizy:

Jest napędzany wymuszoną wędrówką jonów do elektrod, zanurzonych w substancji, po przyłożeniu do nich odpowiedniego napięcia prądu elektrycznego. W elektrolizie elektroda naładowana ujemnie jest nazywana katodą, a elektroda naładowana dodatnio anodą. Każda z elektrod przyciąga do siebie przeciwnie naładowane jony. Do katody dążą więc dodatnio naładowane kationy, a do anody ujemnie naładowane aniony. Po dotarciu do elektrod jony przekazują im swój ładunek, a czasami wchodzą też z nimi w reakcję chemiczną, na skutek czego zamieniają się w obojętne elektrycznie związki chemiczne lub pierwiastki. Ponadto, wędrujące przez substancję jony mogą po drodze ulegać rozmaitym reakcjom chemicznym z innymi jonami lub substancjami, które nie uległy rozpadowi na jony. Powstające w ten sposób substancje zwykle albo osadzają się na elektrodach albo wydzielają się z układu w postaci gazu. Proces elektrolizy wymaga stałego dostarczania energii elektrycznej.

Zjawisko elektrolizy zostało opisane ilościowo w dwóch prawach elektrolizy Faradaya.

8. Elektroliza wody - proces rozkładu wody na wodór (powstający na katodzie) i tlen (powstający na anodzie), odbywający się w wyniku przepływu prądu elektrycznego (na przykład w elektrolizerze Hofmanna).

Proces ten przebiega następująco:

2H₂O → 2H₂↑ + O₂↑

W celu zwiększenia przewodnictwa elektrycznego, do wody, która ma zostać poddana elektrolizie, dodaje się niewielką ilośćelektrolitu (np. H₂SO₄).

9. Elektroliza a generowanie prądu w ogniwach

Nie należy mylić elektrolizy z procesami zachodzącymi w ogniwie galwanicznym. W elektrolizie energia elektryczna zamieniana jest na chemiczną, a w ogniwie galwanicznym kierunek przemian energetycznych jest przeciwny, tzn. energia chemiczna w procesie reakcji redoks zamieniana jest na energię elektryczną, co objawia się generowaniem prądu w obwodzie łączącym elektrody ogniwa. Ze względu na odwrotny przebieg procesu w ogniwach galwanicznych katoda jest naładowana dodatnio, a anoda ujemnie, jednak procesy chemiczne zachodzące na obu ogniwach mają podobny charakter:

	Elektrolizer	Ogniwo
Charakter procesów	wymuszony przepływem prądu	samorzutny — generuje prąd
Kierunek przepływu elektronów	od katody do anody	od anody do katody
Elektroda ujemna	katoda	anoda
Elektroda dodatnia	anoda	katoda
Utlenianie	zawsze zachodzi na anodzie
Redukcja	zawsze zachodzi na katodzie

Ogniwo słoneczne, ogniwo fotowoltaiczne, ogniwo fotoelektryczne, fotoogniwo - to element półprzewodnikowy, w którym następuje przemiana (konwersja) energii promieniowania słonecznego (światła) w energię elektryczną w wyniku zjawiska fotowoltaicznego, czyli poprzez wykorzystanie półprzewodnikowego złącza typu p-n, w którym pod wpływem fotonów o energii większej, niż szerokość przerwy energetycznej półprzewodnika, elektrony przemieszczają się do obszaru n, a dziury (zob. nośniki ładunku) do obszaru p. Takie przemieszczenie ładunków elektrycznych powoduje pojawienie się różnicy potencjałów, czyli napięcia elektrycznego.

Po raz pierwszy efekt fotowoltaiczny zaobserwował A.C. Becquerel w 1839 r. w obwodzie oświetlonych elektrod umieszczonych welektrolicie, a obserwacji tego zjawiska na granicy dwóch ciał stałych dokonali 37 lat później W. Adams i R. Day.

Fotoogniwa słoneczne są produkowane z materiałów półprzewodnikowych, najczęściej z krzemu (Si), germanu (Ge), selenu (Se). Zwykłe ogniwo słoneczne z krystalicznego krzemu ma nominalne napięcie ok. 0,5 wolta. Poprzez połączenie szeregowe ogniw słonecznych można otrzymać baterie słoneczne. Istnieją baterie z różną liczbą ogniw, w zależności od zastosowania, jak i od jakości ogniw.

Zasada działania

Fotoogniwo jest zbudowane z półprzewodnika i tworzy złącze p-n, na które pada światło. Padające na złącze fotony o energii większej od szerokości przerwy energetycznej półprzewodnika powodują powstanie par elektron-dziura. Pole elektryczne wewnątrz półprzewodnika, związane z obecnością złącza p-n, przesuwa nośniki różnych rodzajów w różne strony. Elektrony trafiają do obszaru n, dziury do obszaru p. Rozdzielenie nośników ładunku w złączu powoduje powstanie na nim zewnętrznego napięcia elektrycznego. Ponieważ rozdzielone nośniki są nośnikami nadmiarowymi (mają nieskończony czas życia), a napięcie na złączu p-n jest stałe, oświetlone złącze działa jako ogniwo elektryczne, czyli takie, w którym źródłem prądu są reakcje chemiczne zachodzące między elektrodą a elektrolitem.

Zastosowania

Fotoogniwa są stosowane przede wszystkim jako trwałe, o dużej niezawodności, źródła energii elektrycznej w elektrowniach słonecznych, kalkulatorach, zegarkach, plecakach, sztucznych satelitach, samochodach z napędem hybrydowym, a także wautomatyce, jako czujniki fotoelektryczne i fotodetektory w fotometrii.

---