VIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2016

Работа силами электрического поля, совершаемая при перемещении единичного положительного заряда по конечному пути L, равна: [1]. Однако статическое поле электрического неподвижного заряда существенно отличается своим положением на орбите Бора и не зависит от формы пути. Силовые поля, обладающие этой особенностью, принято называть полями консервативными или полями потенциальными. В потенциальном поле работа сил поля на любом замкнутом пути равна нулю. Поэтому, в случае электростатического равновесия, по теореме Гаусса нет и зарядов, расположенных внутри любого проводника, т.е. все заряды располагаются на поверхности, а внутри положительные и отрицательные заряды нейтрализуются. Таким образом, внутри металлического проводника напряженность поля Е равна нулю, а на его поверхности: Е_п=4πG, где G – плотность поверхностного заряда.

Выше отмеченное существенное отличие статического поля, образованного неподвижными зарядами, позволило определить разность потенциалов между двумя бесконечно близкими «точками» и записать: dφ= -А=-ЕdS. (1)

Разность же между «точками», находящимися на конечном расстоянии друг от друга по длине проводника определяется интегралом по любому пути между точками:

φ₁ – φ₂ = . (2)

Из сравнения выражений (1) и (2) очевидно, что понятие разности потенциалов имеет однозначную сущность лишь тогда, когда напряженность электростатического поля удовлетворяет условию: [1].

Выражение (1) является сущностью работы при взаимодействиях электрических заряженных частиц в статическом электрическом поле на бесконечно близком расстоянии(микро), а выражение (2) – взаимодействия в стационарном поле на расстояниях(макро). Безусловно эти взаимодействия не соизмеримые.

Физико-химическая сущность понятия ЭДС

Электростатический и электростационарный потенциалы, контактная разность потенциалов.

Контактная разность потенциалов. Если привести в соприкосновение два разнородных металла, то они, обмениваясь электронами, в конце концов придут в состояние статистического равновесия. При этом электроны обоих металлов принято считать с одинаковой температурой и химическим потенциалом. А энергии электронов будут различаться глубинами потенциальных ям U₁ и U₂ [2.] такая ситуация означает, что на границе обоих металлов существует скачок потенциальной энергии электрона: ∆U=U₁ - U₂ . Тогда потенциальная энергия системы на границе двух металлов может быть представлена как произведение заряда е на потенциал φ, а скачок потенциала в виде: φ₁ – φ₂=(U₁ – U₂)/е [3], где φ₁ и φ₂ - потенциалы металлов.

Итак, связав потенциальную энергию U с работой выхода A=U-µ? И поскольку µ химические потенциалы обоих металлов одинаковы, то скачок потенциалов γ₁ – γ₂ =(А₁- А₂)/е;е γ₁ -µ₁= е γ₂ -µ₂ - условия равновесия (4).

Разность потенциалов двух соприкасающихся разнородных металлов называется контактной разностью потенциалов. Физический смысл выражения очень прост. Если А₁>А₂ электроны вероятнее всего переходят из металла А₂ в металл А_1. Между металлами возникает поле, направленное от металла А₂ к металлу А₁ , которое препятствует переходу электронов из металла А₂ в металл А_1. Очевидно, равновесие будет достигнуто тогда, когда контактная разность потенциалов станет равной: φ₁ – φ₂ =(А₁- А₂)/е.

Таким образом, с помощью разных металлов, тем более однородных металлов, замкнутых в одно кольцо получить ЭДС не возможно, так как сумма всех скачков обращается в нуль. Однако широко известно получение ЭДС при соприкосновении двух металлов, если держать спай при разных температурах. Следовательно, если все участки цепи Ома находятся при одинаковой температуре, то контактную ЭДС в проводах первого рода можно не принимать во внимание. При изучении проводников второго рода, к ним в первую очередь относятся электролиты, сумма контактных же не равна нулю. Вместе с этим заметим, что прохождение тока через электролиты сопровождается химическими реакциями и обуславливается тем, что перенос тока в них осуществляется движением ионов или групп атомов, а носителями тока в металлах служат не ионы, а свободные электроны. Плотность термоионного тока не подчиняется закону Ома, а растет пропорционально степени 3/2, приложенного к электродам напряжения и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. А также, что на границе двух металлов существует скачок, определяемый произведением электрического заряда е на потенциал φ, разностью работ А₁ и А₂ обоих металлов. И в том и в другом варианте ЭДС существует за счет движения электронов. Электрон обладает отрицательным зарядом 1,6021892*10^-19 Кл, масса электрона равна 0,9109534*10^-27 г. Электрон – микрочастица и является составной частью атомов и молекул всех химических элементов. Движение электрона подчиняется законам квантовой механики, что и определяет нахождение электрона в пространстве множеством точек, похожего на облако с определенной электронной плотностью, что позволяет понять многие физические свойства, поскольку все химические реакции сопровождаются изменением распределения электронной плотности в реагентах. Здесь особо следует отметить, что U₁-U₂→ ЭДС. Точно также и φ₁ – φ₂ → ЭДС, поскольку скачок характеризуется произведением электрического заряда q электрона на потенциал γ. Однако сущности оперируемых нами ЭДС разные. Суть отличия заключается в том, что приращение скоростей газовых электронов в металлах под воздействием приложенной ЭДС осуществляется в макро ненаправленной форме от плюса к минусу в стационарном поле, что вызывает необходимость их векторного сложения, и в случае получения энергии в форме теплоты в статическом поле в макро направленной форме вызывает необходимость скалярного сложения до достижения нормального максвеловского распределения[3]. Рассматривая окислительно-восстановительные реакции, химики ввели понятие кажущегося переноса от одних частиц к другим, объясняя тем, что электронная плотность изменяется постепенно «подстраиваясь» под движение ядер. В качестве примера приводит газофазную реакцию К+I→K⁺+I₂^-→KI+I, т.е. реакция начинается на расстоянии между К и I, когда химические силы ещё практически равны нулю.[4] в последнее время возникло ещё одно направление в «химии», так называемого сольватированного электрона, которому отводится большая роль в химических превращениях под воздействием (ионизирующих) излучений. Для более углубленного понимания физико-химических процессов, происходящих в окислительно-восстановительных реакциях рассмотрим различие и природу электростатического потенциала, электростационарного потенциала, потенциал Ома, ионизационного потенциала, химического потенциала и процесс электролитического равновесия.

Электростатический потенциал. Разность потенциалов между двумя точками электростатического поля равна взятой с обратным знаком работе, совершаемой силами поля при перемещении единичного положительного заряда из первой точки во вторую. При этом предполагается, что при перемещении пробного единичного заряда все заряды, возбуждающие поле, остаются неподвижными. В настоящее время считается доказанным практически (закон Кулона) и теоретически (теорема Гаусса), что потенциал элементарной электрической частицы равен работе, совершаемой силами поля при удалении положительного заряда из точки поля в бесконечность, т.е. понятие статического поля определяется необходимым и достаточным условием независимости работы от формы пути перемещения положительного заряда: , .

Электростационарный потенциал – потенциал Ома. Стационарное поле, поле постоянного или выпрямленного тока, а как и поле электростатического является полем потенциальным. Однако, при рассмотрении понятия стационарного потенциала будем различать поле переменного тока от постоянного.

Постоянный ток не имеет истоков. Линии тока всегда замкнуты, либо уходят в бесконечность. Линии переменного тока могут быть и разомкнуты. Существенным отличием стационарного поля постоянных токов от поля электростатического заключается в том, что для поддержания электростатического тока необходима непрерываемая затрата энергии, тогда как в электростатическом поле никаких превращений не происходит. Поэтом в стационарном поле работа существенно зависит от формы пути:

Ионизационный потенциал – физическая величина (в вольтах) необходимая для движения электрона из электронной оболочки атома. Произведение заряда е на I дает велиину энергии ионизации и измеряется в электроновольтах. Поэтому источник доставляет энергию со скоростью IE=(числ.элем. Заряд/с)*(Дж/элем.заряд)Дж/с. Р_w=EI [5] измеряется в электронвольтах

понятие «ионизационного потенциала» было введено в 1915 г. Дж. Гендерсоном и Дж.Макленаном. Ионизационный потенциал является важнейшим количественным показателем и характеристикой атома, определяющие многие химические, физические и электромагнитные свойства веществ.

Химический потенциал. Распределение молекул по скоростям и координатам Максвелла-Больцмана исходит из распределения Максвелла по скоростям, заменяя кинетическую энергию молекул её полной энергией, т.е. суммой кинетической и потенциальной [6], обозначив её буквой U, уровень химического потенциала µ, можно показать, что величина µ практически совпадает с максимумом энергии электрона.

Рис. Работа выхода электрона A=U - µ

От дна «ямы» µ в плоть до µ все уровни состояния заняты, поэтому легче всего электрон удалить из металла, когда его энергия близка к значению µ. В этом случае будет затрачена минимальная работа A=U - µ. Величина А называется работой выхода электрона из металла. Электроны вне металла находятся в равновесии с электронами внутри металла, то их химические потенциалы не будут отличаться. Предполагая, что А>>kT, учитывая распределения Ферми, получаем известные распределения электрона Максвелловским, с известной плотностью. Так распределение электронов вне металла позволяет определить ток эмиссии, а учитывая формулу Ричардсона-Дешмана убедиться, что ток эмиссии, так же как и плотность испущенных электронов, во многом зависит от температуры. Электроны могут так же легко покидать металлы в электролитах под воздействием силового электрического суперпозиционного поля постоянного или переменного тока, где исключительную роль играет энергия ионизации.

Список литературы:

1. Поливанов К.М. Электродинамика движущихся тел. / К.М. Поливанов. М.: Энергоиздат, 1982, с.168.

2. Палашов В.В., Немцев З.Ф., Горский В.Б., Горелкин В.И. Молекулярно-кинетическая закономерность превращения энергии в форме работы или теплоты. Открытие №304 от 20.04.04г. Москва.

3. Тамм И.Е. Основы теории электричества / И.Е. Тамм – М.,: Наука, 1966 – с. 169-235.

4. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники / Л.А. Бессонов – М.,: Высшая школа, 1967 – с.685-686, 5-ое издание.

5. Палашов В.В. Закономерность изменения углов преломления потоков электромагнитной энергии заряженных ионов движущихся встречно под воздействием ЭДС в грунтовых и водных средах / В.В. Палашов. – М.: Открытие, диплом №403, рег.№506, 2010г., Москва.

6. Ахиезер А.И. Общая физика. Электрические и магнитные явления. Справочное пособие. / А.И. Ахиезер. Киев. «Наукова думка». 1981г – с. 121-137.

Код для цитирования: Скопировать