Zavádění inovativních metod a výukových materiálů do přírodovědných předmětů na Gymnáziu v Krnově 07_4_Elektrický proud v kapalinách a plynech Ing. Jakub Ulmann
4.1 Elektrický proud v kapalinách Sestavíme obvod: zdroj, žárovka, ampérmetr. Na jednom místě ho přerušíme tím, že vodiče vyvedeme na měděné plechy, které ponoříme do akvária s kapalinou. Měříme proud: Výsledky závisí na tom, jaká kapalina je v akváriu: voda z vodovodu žárovka nesvítí, obvodem teče malý proud 5 ma (destilovaná voda ještě menší proud), minerálka Magnesia žárovka nesvítí, proud 7mA, voda se solí žárovka svítí, proud 200 ma.
Př. 1: Nakresli obrázek akvária z předchozího pokusu po přidání soli. Zapiš reakce, které v roztoku probíhají. Jakým způsobem prochází vodou proud? Anoda Katoda + - NaCl Na + Cl - Sůl se rozpadá na ionty NaCl Na + + Cl (disociace soli). Kladný iont odebere elektron, záporný přejde na anodu.
Většina kapalin v čistém stavu jsou izolanty. Rozpouštění soli ve vodě a následné děje - elektrolytická disociace. Kapaliny, které vedou el. proud, se nazývají elektrolyty (vodné roztoky kyselin, zásad a solí). Elektrické pole, které vznikne mezi elektrodami, vyvolá usměrněný pohyb iontů elektrický proud. Kladné kationty se pohybují směrem k záporné elektrodě katodě a záporné anionty se pohybují směrem ke kladné elektrodě anodě. Kladná elektroda ve slově anoda je obsažen dvojitý klad: ano a да. Aniont je přitahován anodou. Aniont je tedy záporný iont. Kationt kladný iont, ale katoda je záporná.
Na elektrodách odevzdají ionty své náboje a vyloučí se v podobě atomů či molekul. Vyloučené látky mohou reagovat s elektrodami nebo elektrolytem. Tento děj se nazývá elektrolýza. V elektrochemii se pojmem katoda označuje ta elektroda, na které probíhá redukce (látka přijímá elektrony). Při elektrolýze (náš pokus) je katoda připojena na zápornou svorku. U elektrického článku (baterie) má kladný náboj. Oxidace vzniká na anodě (začínají samohláskou). U kapalin je vidět pohyb částic oběma směry. Směr proudu bereme podle pohybu kladně nabitých částic. Pokud kapalina obsahuje ionty vede elektrický proud.
Anoda Je přitahován anodou. Elektrolytická disociace Elektrolýza Probíhá zde při elektrolýze redukce. Kladný iont. Katoda Rozpouštění soli ve vodě... Aniont Kationt Elektrolyt Kapalina, která vede el. proud. Chemické změny na elektrodách
4.2 Galvanické pokovování (příklad elektrolýzy) Na vodivý předmět nanášíme tenkou vrstvu kovu chromu, mědi, zlata apod. Např. síran měďnatý: CuSO 4 Cu 2+ + SO 4 2 Př. 1: Nakresli obrázek kádinky a děje při pokovování mědí. + - Cu 2+ SO 4 2- CuSO 4
+ - Cu 2+ SO 4 2- CuSO 4 Cu + SO 4 2- CuSO 4 + 2e - Předmět, na který chceme nanést měď, umístíme na místo katody. Probíhá zde redukce, iont přijme 2 elektrony. Druhou elektrodu zvolíme z mědi. Probíhá zde oxidace, iont odevzdá 2 elektrony. Ubývá materiál na anodě
4.3 Dobíjení olověného akumulátoru Př. 1: Nakresli pomocí postupu proces nabíjení autobaterie: Nakresli kádinku a elektrody napojené na zdroj napětí. Katodu vpravo. Obě elektrody jsou z olova, po nalití zředěné kyseliny sírové se vytvoří na elektrodách vrstva síranu olovnatého. Zakresli vrstvičku a označ. Disociací kyseliny sírové se vytvářejí kationty a anionty, které jsou přitahovány k elektrodám. H 2 SO 4 2H + + SO 4 2 Na katodě vzniká oxidací čisté olovo a kyselina sírová, na anodě oxid olovičitý a kyselina sírová (spotřebovává se voda). Zapište obě rovnice.
+ - PbSO 4 2H + SO 4 2- PbSO 4 H 2 SO 4 SO 4 2- + PbSO 4 + 2H 2 O PbO 2 + 2H 2 SO 4 + 2e - 2H + + PbSO 4 + 2e - H 2 SO 4 + Pb Elektrolyt houstne. Po spotřebování vrstvy síranu olovnatého vznikly dvě různé elektrody galvanický článek s napětím 2 V.
4.4 Galvanické články Př. 1: Popiš chování baterie, když vypnu nabíjecí proud. Všechny reakce se obrátí (článek se chce vrátit ze stavu vynuceného vnějším proudem do původního stavu). + - PbO 2 Pb 2H 2 SO 4 + PbO 2 + 2e - PbSO 4 + SO 4 2- + 2H 2 O H 2 SO 4 + Pb PbSO 4 + 2H + + 2e -
Elektrody se nabíjí a jejich nabití způsobí zastavení reakcí. Pokud necháme baterii takto, zůstane nabitá. Vlevo bude kladný náboj, vpravo záporný. Př. 2: Rozhodni, co je nutné udělat, aby se nabitá baterie vybila. Spojíme elektrody drátem, začne probíhat proud (z pravé elektrody vnějším obvodem do levé elektrody) elektrody se vybijí a reakce se opět rozběhnou. V elektrolytu přibývá H 2 O a ubývá H 2 SO 4 řídne. Proces vybíjení probíhá tak dlouho, dokud se nespotřebuje vrstva Pb nebo PbO 2. http://www.vascak.cz/data/android/physicsatschool/templa te.php?s=elkap_akumulator&l=cz&zoom=0
Př. 3: Která z elektrod je katodou, když se baterie vybíjí? Elektrony vstupují do reakce vlevo (redukce), katoda je nyní kladně nabitá. Olověný akumulátor zde popsaný patří mezi zdroje napětí - galvanické články. Pro jeho schopnost dodávat najednou vysoký výkon je např. při startování automobilů nenahraditelný. Baterie je zapojení více článků za sebou. Autobaterie 6 x 2 V, tedy 12 V, v motocyklech 3 x 2 V apod. Př. 4: Autobaterie má kapacitu 30 Ah a napětí 12 V. Jak dlouho dokáže napájet žárovku s výkonem 5 W? 70 h
Galvanické články Př. 5: Co určuje napětí článku, kapacitu a dodávaný proud? Napětí článků určuje materiál elektrod. Stejné elektrody nulové napětí. Ostatní chování článku závisí i na elektrolytu, ploše elektrod a dalších vlastnostech celého článku. Dodávaný proud určuje vnitřní odpor článku. Klasické články Nedají se nabíjet (probíhají v nich i nevratné chemické reakce). Mezi základní patří Voltův článek, suchý článek a alkalický článek.
Suchý článek 1,5 V Záporná elektroda zinková nádobka (kvůli rozpouštění zinkové elektrody článek vyteče). Kladná elektroda uhlík, obalený směsí MnO 2 a koksu. Elektrolyt roztok salmiaku zahuštěný škrobem. Využití do hodin,? Alkalický článek 1,5 V Záporná elektroda zinkový prášek v elektrolytu. Kladná elektroda MnO 2 oddělený membránou od zbytku článku. Elektrolyt roztok hydroxidu draselného. Stále využívaný větší kapacita než suchý, v ovladačích, svítilnách apod.
Akumulátory sekundární články Cenově výhodnější, počet nabití není neomezený Olověný akumulátor Nikl-metal hydridový, zkráceně NiMH 1,2 V Záporná elektroda speciální slitina kovů. Kladná elektroda oxid-hydroxid niklitý. Elektrolyt roztok hydroxidu draselného. Použití vysílačky, dětské chůvičky apod. Lithium-iontová baterie, Li-ion 3,7 V Záporná elektroda oxid lithno-kobaltitý. Kladná elektroda oxid-hydroxid niklitý. Elektrolyt lithiová sůl + organické rozpouštědlo. Výhody vysoká kapacita (3 krát více než NiMH). Použití mobilní telefony, počítače, ale také různé nářadí...
+ elektroda - elektroda elektrolyt Suchý článek C Zn roztok salmiaku Alkalický článek MnO 2 Zn hydroxid draselný Olověný akumulátor PbO 2 Pb zředěná H 2 SO 4 NiMH oxid hyd. niklitý tajná slitina hyd. draselný Li-ion oxid hyd. niklitý oxid lithnokobaltitý lithiová sůl
Které z následujících tvrzení je správné? 1. Vedení elektrického proudu v kapalinách je způsobeno přenosem elektronů v elektrolytu. 2. Vedení elektrického proudu v kapalinách je způsobeno přenosem kationtů a aniontů. 3. Vedení elektrického proudu v kapalinách je způsobeno přenosem elektronů, kationtů a aniontů. 4. Vedení elektrického proudu v kapalinách není vázáno na přenos látek.
Při elektrolýze síranu měďnatého se na: 1. anodě vylučuje měď 2. anodě vylučuje kyselina sírová 3. katodě vylučuje kyselina sírová 4. katodě vylučuje měď
Při elektrolýze: 1. kationt na katodě přijímá elektron 2. kationt na anodě přijímá elektron 3. kationt na anodě odevzdává elektron 4. kationt na katodě odevzdává elektron
Při elektrolýze kyseliny sírové vodíkový iont: 1. oxiduje na katodě 2. oxiduje na anodě 3. redukuje na katodě 4. redukuje na anodě
4.5 Elektrický proud v plynech - nesamostatný výboj Př. 1: Najdi ve třídě látky, u kterých můžeš snadno dokázat, že patří mezi nevodiče. Plasty, sklo,, vzduch. Za normálních podmínek plyny elektrický proud nevedou. Pokus: Nabijeme elektroskop tyčí. Sledujeme, že zůstává nabitý. Přiblížíme plamen a vybije se. Předvedli jsme jeden ze způsobů ionizace. Ionizace - rozštěpení elektricky neutrálních molekul na kladné ionty a elektrony. Elektrický proud v plynech je pohyb kladných iontů a záporných elektronů.
Př. 2: Jakým jiným způsobem může dojít k ionizaci plynu. Plyn se ionizuje dodáním energie kromě plamene také rentgenovým nebo radioaktivním zářením, silným elektrickým polem. http://www.vascak.cz/data/android/physicsatschool/template.php?s= elplyn_vyboj_nesam&l=cz Vzduch je běžně alespoň částečně ionizován účinkem kosmického záření a radioaktivity zemské kůry (v 1 cm 3 vzduchu vzniká každou sekundu asi 10 kladných iontů a elektronů). Př. 3: Porovnej elektrolytickou disociaci a ionizaci. Př. 4: V plynech vedou proud také záporné ionty. Jak vzniknou?
Rühmkorffův induktor (v 19. stol.) Zařízení slouží jako zdroj vysokého napětí. Používá se k demonstraci elektrické jiskry, k výbojům ve vakuových trubicích, k napájení rentgenových trubic atp. Jeden milimetr dlouhá jiskra je způsobena napětím 3 kv.
Ruhmkorffův induktor princip Na vstupní svorky se přivádí zpravidla stejnosměrné napětí 6 až 8 V, na výstupu vzniká pulsující napětí se špičkami až několika desítek kv. Těleso s cívkami slouží jako transformátor a elektromagnet současně. Kladívko rychle kmitá (jako u elektrického zvonku) a přerušuje tak primární obvod.
Pokus: Pokud zvětšíme vzdálenost elektrod neprochází proud. Vložíme mezi elektrody zapálenou svíčku a proud začne procházet. Plamínek se vychýlí k desce se záporným napětím. Plamínek obsahuje velké množství kladných iontů a ty jsou přitahovány k záporné elektrodě. Pokud se proud udržuje jen po dobu působení ionizátoru, mluvíme o nesamostatném výboji. Značně ionizovaný plyn nazýváme plazma.
4.6 Voltampérová charakteristika výboje v plynu Př. 1: Nakreslete VA charakteristiky některých součástek. V ionizační komoře můžeme měřit vlastnosti ionizovaného plynu. Vzduch uzavřeme do kovové baňky a okénkem ozařujeme. Měníme napětí od nuly a dostáváme voltampérovou charakteristiku. http://www.vascak.cz/data/android/physicsatschool/template.php? f=elplyn_va_charakteristika&l=cz
V první části se proud udržuje jen po dobu působení ionizátoru a přímo úměrně stoupá (Ohmův zákon). Ve druhé části je proud konstantní i při zvyšování napětí ionizátor nestačí vytvářet větší počet volných iontů.
Jestliže však napětí mezi elektrodami přesáhne velikost tzv. zápalného napětí U Z, získají v elektrickém poli vzniklé ionty dostatek pohybové energie a nárazy mohou samy ionizovat další neutrální molekuly. Ty se rozštěpí, urychlí Výboj pak pokračuje i bez přítomnosti vnějšího ionizátoru, vznikne samostatný výboj.
4.7 Samostatný výboj Za normálního tlaku Jiskrový výboj Doutnavý výboj Samostatný výboj Obloukový výboj (také vysokotlaké výbojky) Za sníženého tlaku
4.7.1 Samostatný výboj za atmosférického tlaku Jiskrový výboj Krátkodobý intenzivní výboj v silném elektrickém poli je provázen světelným zábleskem - jiskrou. Jiskrový výboj můžeme pozorovat mezi póly zdrojů vysokého napětí (van de Graaffův generátor, Ruhmkorffův induktor). Vzduch se rozžhaví a vidíme jiskru. V zážehovém motoru se směs benzínu se vzduchem zapaluje elektrickou jiskrou, která přeskočí mezi kontakty zapalovací svíčky. Potřebné vysoké napětí několik kilovoltů vytváří zapalovací cívka.
Monumentálním příkladem jiskrového výboje je blesk, kterým se vyrovnává obrovské napětí 10 9 V (proud 10 5 A) mezi dvěma mraky nebo mezi mrakem a zemí. Trvá 0,001 s a dosahuje teploty až 35 000 C. Na dráze blesku se ionizovaný vzduch silně zahřívá a prudce se rozpíná. Tak vzniká krátkodobý zvukový efekt - hrom.
Doutnavý výboj Tento výboj se projevuje v okolí vodičů s velmi vysokým napětím (nad 100 kv) a nazývá se koróna. Jde o neúplný samostatný výboj na jedné elektrodě. Projevuje se jako světélkování, zejména na hrotech a hranách a může způsobit značné ztráty při dálkovém přenosu elektrické energie.
Obloukový výboj - je nejdůležitější pro technickou praxi svařování elektrickým obloukem. Při dotyku elektrod jimi začíná procházet vysoký proud. Zdaleka největší elektrický odpor je v místě dotyku tyčinek, proto se toto místo značně zahřívá - teplota např. 4 000 C. Tak se ionizuje vzduch v blízkosti tyčinek a po jejich oddálení mezi nimi i nadále protéká proud - výboj v plynu.
Elektrody poměrně rychle uhořívají. Výboj vydává intenzivní světlo, které obsahuje ultrafialovou složku a je nebezpečné pro lidský zrak.
Obloukový výboj se dříve používal na svícení nejstarší elektrický zdroj světla. http://www.vascak.cz/data/android/physicsatschool/akce.php?f=103&l=cz&zoom=0 Obloukovou lampu význačně zdokonalil na konci 19 stol. český vynálezce František Křižík. Používaly se také v promítačkách (viz následující obr.). Byly náročné na obsluhu a skýtaly horší kvalitu obrazu než xenonové výbojky, které je v druhé polovině 20. století nahradily.
Vysokotlaké výbojky Xenonové vysokotlaké výbojky Baňka je naplněna xenonem pod vysokým tlakem. Spektrum vzácného plynu xenonu se shoduje s denním světlem. Plní se jím také výbojky pro fotografické blesky. Zvláštností xenonových výbojek je velmi nízké napětí oblouku a vysoká proudová intenzita. Jsou to nebezpečné skleněné bomby, zvláště na konci života. Zážeh oblouku obstarává impuls vysokého napětí o hodnotě až 60 kv, který pomůže vytvořit ionizovanou cestu. Ze stejného důvodu potřebují xenonová světla u aut vysokonapěťové trafo.
Rtuťové vysokotlaké výbojky Jsou výbojky s vysokotlakým tělískem uvnitř. Toto tělísko je z křemenného skla a je naplněno parami rtuti. Aby rtuťová vysokotlaká výbojka mohla fungovat, je nutné, aby byla krycí baňka potažena oním bílým luminoforem, který transformuje nebezpečné UV záření vydávané tělískem výbojky na viditelné vlnové délky. Luminofor má tedy u rtuťové výbojky dvojí funkci - chrání nás před vysokými dávkami UV světla a vedle toho zvyšuje vyzařovaný výkon výbojky. V tělocvičně Gymnázia Krnov se používají výbojky s příkonem 400 W. Vysokotlaké rtuťové výbojky lze použít jako horské slunce.
Sodíkové vysokotlaké výbojky Jsou méně ekologicky nebezpečné, jelikož neobsahují rtuť ani jedovaté luminofory (to je ono bílé barvivo, kterým je každá rtuťová výbojka a i zářivka natřena zevnitř tyto světelné zdroje patří mezi nebezpečný odpad). Vedle toho má i větší svítivost. To umožňuje menší spotřebu energie pouličních svítidel. Vzhledem k jejich počtu je to úspora významná. Pro srovnání - světelná intenzita zdroje je přibližně stejná pro 1 000 W žárovku, 250 W rtuťovou výbojku a 150 W sodíkovou výbojku. Sodíková tedy spotřebuje 6x méně energie vůči žárovkovému osvětlení.
Halogenidové vysokotlaké výbojky Jsou nejmodernějšími výbojkami. Na rozdíl od sodíkových dávají světlo, které je dle svého emisního spektra velmi podobné dennímu světlu (stejně tak i rtuťové). S halogenidovými výbojkami se setkáme například na fotbalových stadionech, kde jsou umístěny tyto výbojky o výkonech 2 000 W až 10 000 W na osvětlovacích stožárech.
Za normálního tlaku Obloukový výboj Jiskrový výboj Doutnavý výboj
4.7.2 Samostatný výboj za sníženého tlaku Při zřeďování plynu (snižování tlaku) se v elektrickém poli dráha iontů mezi dvěma srážkami zvětšuje a na delší dráze získávají ionty větší energii. Př. 1: Co to bude znamenat pro samostatný výboj např. v trubici se sníženým tlakem? Dochází snadněji k nárazové ionizaci a výboj vzniká už při nižším napětí. Pokus: K Rühmkorffovu induktoru připojujeme postupně trubice se vzduchem, jehož tlak se postupně snižuje. 10 torr 1,3 kpa objevuje se úzký vlnící se pruh výboje další snižování tlaku výboj se rozšiřuje výboj vyplňuje celou trubici - doutnavý výboj.
Př. 2: Čím se liší doutnavý výboj od obloukového? protéká malý proud (nízká spotřeba energie) při nízké teplotě Pokus: K Rühmkorffovu induktoru připojujeme postupně trubice s různými plyny. Různé světelné jevy závisí na tlaku plynu v trubici, barva světla je dána druhem plynu. Svítící trubice nazýváme také výbojky. http://www.vascak.cz/data/android/physicsatschool/template.php?s= elplyn_trubice&l=cz&zoom=0 Použití v různých typech světelných zdrojů a v barevných reklamních trubicích.
Doutnavky Jsou plněné neonem, sériově zapojené s odporem v M (téměř nulový odběr). Zkoušečka s doutnavkou Nízké napětí kolem 70 V a proud nezjistitelný lidským tělem. http://www.vascak.cz/data/android/physicsatschool/template.php?s=elplyn_doutna vka&l=cz&zoom=0
Zářivky Jsou rtuťové nízkotlaké výbojky. Trubice je plněna směsí par rtuti a argonu, tlak 400 Pa. Aby vznikl elektrický výboj, musí se nejprve páry rtuti ionizovat. Sepnutím spínače se nejprve rozžhaví vlákna V na obou koncích zářivkové trubice. Z rozžhavených vláken se uvolňují elektrony, které předají část své energie molekulám rtuti.
Molekuly rtuti energii vyzáří ve formě ultrafialového záření (výboj v neviditelné oblasti), které se po dopadu na stěny pokryté luminoforem přemění na viditelné světlo. Startér zářivky S je miniaturní bimetalový spínač, který se po zahřátí rozpojí a odpojí žhavicí vlákna. Rozpojením obvodu se na koncích cívky T (tlumivky) indukuje napětí kolem 400 V, které se sčítá se síťovým napětím 230 V. Výsledné napětí se objeví na elektrodách zářivky a stačí k zapálení trvalého výboje - zářivka se rozsvítí. http://www.vascak.cz/data/android/physicsatschool/template.php?s= elplyn_zarivka&l=cz&zoom=0
Za normálního tlaku Za sníženého tlaku Neonová trubice Svíčky v autě Zářivka Zkoušečka s doutnavkou Svařování Obloukový výboj
4.8 Katodové záření Opatříme-li anodu otvorem, budou elektrony prolétávat za anodu jako katodové záření. Katodové paprsky byly objeveny v polovině 19. stol. Jejich trajektorii je možné ovlivňovat elektrickým a magnetickým polem (bývalé obrazovky televizorů). http://www.vascak.cz/data/android/physicsatschool/tem plate.php?s=elplyn_magnet_elektron&l=cz&zoom=0
Obrazovka televizoru s katodovými paprsky. http://www.vascak.cz/data/android/physicsatschool/template.php?s=elplyn_oscil oskop&l=cz&zoom=0 Proudem elektronů je také tvořeno záření -, které patří mezi radioaktivní záření (má větší energii).
Autor prezentace a ilustrací: Ing. Jakub Ulmann Fotografie použité v prezentaci: Na snímku 1: Ing. Jakub Ulmann Na snímku 18: http://commons.wikimedia.org/wiki/file:ruhmkorff_ coil.png?uselang=cs Na snímku 19: http://commons.wikimedia.org/wiki/file:ruhmkorff_ inductor_ schem.svg?uselang=cs Na snímku 23: http://commons.wikimedia.org/wiki/file: DBelectrified.JPG Na snímku 27: http://commons.wikimedia.org/wiki/file: B%C5%82yskawica.jpg Na snímku 32: http://cs.wikipedia.org/wiki/soubor:lichtbogen_3000_volt.jpg Na snímku 33: http://commons.wikimedia.org/wiki/file:arc_lamp-front_pnr%c2% B00034.jpg Na snímku 34: http://commons.wikimedia.org/wiki/file:arc_lamp-arc_2_pnr%c2% B00030.jpg Na snímku 35: http://commons.wikimedia.org/wiki/file:xenon_short-arc_bulb.jpg
Použitá literatura a zdroje: [1] RNDr. Milan Bednařík, CSc., doc. RNDr. Miroslava Široká, CSc.: Fyzika pro gymnázia Elektřina a magnetismus, Prometheus, Praha 2007 [2] Doc. RNDr. Oldřich Lepil, CSc., RNDr. Milan Bednařík, CSc., doc. RNDr. Miroslava Široká, CSc.: Fyzika Sbírka úloh pro střední školy, Prometheus, Praha 2010 [3] Mgr. Jaroslav Reichl: Klíč k fyzice, Albatros, Praha 2005 [4] Mgr. Jaroslav Reichl, www.fyzika.jreichl.com [5] Mgr. Martin Krynický, www.realisticky.cz