Thư Viện Công Thức Vật Lý

Hiện tượng điện phân

a/Định nghĩa hiện tượng điện phân:

Hiện tượng điện phân là hiện tượng xuất hiện các phản ứng phụ  ở các điện cực khi cho dòng điện một chiều qua bình điện phân.

b/Công thức Faraday về chất điện phân

$m=\frac{AIt}{Fn}$

Chú thích:

$m$: khối lượng của chất được giải phóng ra ở điện cực khi điện phân $\left(g\right)$

$F=96500 C/mol$: số Faraday

$A$: khối lượng mol nguyên tử của nguyên tố $\left(kg\right)$

$n$: hóa trị của nguyên tố

$I$: cường độ dòng điện trong dung dịch điện phân $\left(A\right)$

$t$: thời gian điện phân $\left(s\right)$

c/Ứng dụng:

Hiện tượng điện phân có nhiều ứng dụng trong thực tế sản xuất và đời sống như luyện kim, tinh luyện đồng, điều chế clo, xút, mạ điện, đúc điện,...

1. Luyện nhôm

Bể điện phân có cực dương là quặng nhôm nóng chảy, cực âm bằng than, chất điện phân là muối nhôm nóng chảy, dòng điện vào khoảng 10000A.

2. Mạ điện

Bể điện phân có cực dương là một tấm kim loại để mạ, cực âm là vật cần mạ, chất điện phân thường là dung dịch muối kim loại để mạ. Dòng điện được chọn một cách thích hợp để đảm bảo chất lượng của lớp mạ.

Michael Faraday (1791 - 1867)

Trong đó:

m là khối lượng của vật, đơn vị là kg

Trọng lượng của quả cân có khối lượng m = 100 g là P= 1 N. 

Trong đó:

$i_c$: cường độ dòng điện cảm ứng (A).

$e_c$: suất điện động cảm ứng của khung dây (V).

R: điện trở của khung dây ($\Omega$).

- Theo quy tắc bàn tay trái hướng của lực từ tác dụng lên các cạnh giống như hình vẽ.

- Vì các cạnh vuông góc với từ trường nên α = 90°, độ lớn lực từ tính theo:

$\left\{\begin{array}{l}{F}_1 = F_3 =B.I.AB.\sin \left(90\right) = B.I.AB\\ F_2 = F_4 =B.I.BC.\sin \left(90\right) = B.I.BC\end{array}\right.$

Lực tổng hợp tác dụng lên khung dây:

$\overrightarrow{F} = \overrightarrow{F_1} + {\overrightarrow{F}}_2 + {\overrightarrow{F}}_3 + {\overrightarrow{F}}_4$

Quy tắc bàn tay phải:

Để bàn tay phải sao cho ngón cái nằm dọc theo dây dẫn và chỉ theo chiều dòng điện, khi đó các ngón kia khum lại cho ta chiều của các đường sức từ.

Quy ước:

có phương vuông góc với mặt phẳng biểu diễn, chiều đi vào.

có phương vuông góc với mặt phẳng biểu diễn, chiều đi ra.

Ví dụ: 

Công suất tiêu thụ trên mạch ngoài:

$P = R{I}^2 = R.{\left(\frac{\mathcal{E}}{R\hspace{0.17em}+ r}\right)}^2 = \frac{R.{\mathcal{E}}^2}{R^2 + 2Rr + r^2}=\frac{{\mathcal{E}}^2}{\left(R + {\displaystyle \frac{r^2}{R}}\right) + 2r}$

Áp dụng bất đẳng thức Cauchy:

$$\begin{gathered} R + \frac{r^2}{R}\ge 2\sqrt{R . \frac{r^2}{R}} \\ \Rightarrow R + \frac{r^2}{R}\ge 2r \end{gathered}$$

Vậy $P_{max} = \frac{{\mathcal{E}}^2}{4r}$

Dấu “=” xảy ra khi $R = \frac{r^2}{R}\Rightarrow R = r$

=> Nếu R = r thì công suất tiêu thụ ở mạch ngoài là cực đại.

Chứng minh công thức: 

Để vật $m_3$ đứng yên thì theo điều kiện cân bằng lực ta có: $\overrightarrow{F_{13}} + \overrightarrow{F_{23}} = 0\Rightarrow \overrightarrow{F_{13}} =- \overrightarrow{F_{23}}$

Suy ra: $\left\{\begin{array}{l}\overrightarrow{F_{13}} ⇵ \overrightarrow{F_{23}} \\ F_{13} = F_{23}\end{array}\right.$

Để $\overrightarrow{F_{13}} ⇵ \overrightarrow{F_{23}}$ thì vật $m_3$ phải nằm trên đường nối giữa $m_{1 }và m_2$ và nằm phía trong.

Ta có: $F_{13} = F_{23} \Rightarrow G\frac{m_1.m_3}{{r^2}_{13}} = G\frac{m_2.m_3}{{r^2}_{23}}\Rightarrow \frac{{r^2}_{13}}{{r^2}_{23}}=\frac{m_1}{m_2}\Rightarrow \frac{r_{13}}{r_{23}}=\sqrt{\frac{m_1}{m_2}} \left(1\right)$

Ngoài ra: $r_{13} + r_{23} = AB$ (2)

Từ (1) và (2) ta có hệ phương trình: $\left\{\begin{array}{l}\frac{r_{13}}{r_{23}}=\sqrt{\frac{m_1}{m_2}}\\ r_{13} + r_{23} = AB\end{array}\right.$

Trong đó:

m: khối lượng của nhiên liệu (kg).

q: năng suất tỏa nhiệt (J/kg).

Sau khi đặt vào hai bản tụ một hiệu điện thế $U$, sẽ tạo ra một vùng có điện trường đều có cường độ $E$.

Khi đặt một điện tích vào hạt sẽ được gia tốc với $a=\frac{\left|q\right|U}{md}$

TH1: Hạt dứng yên : Vật sẽ chuyển động nhanh dần đều về phía bản + khi $q>0$ và ngược lại

TH2: Hạt đi song song với đường sức điện. Khi đó vật sẽ được tăng tốc khi đi về phía bản cùng dấu với điện tích, ngược lại hạt sẽ bị hãm và dừng lại sau đó quay dầu.

TH3: Hạt đi lệch hoặc vuông góc với đường sức điện hạt sẽ chuyển động dưới dạng ném xiên và ném ngang.

DÒNG ĐIỆN TRONG CHẤT KHÍ

1.Chất khí là môi trường không dẫn điện

Các phân tử khí không dẫn điện vì các phân tử khi đều ở trạng thái trung hòa điện, nên không tải điện ở điều kiện thường.

2.Dòng điện trong chất khí

Nhờ có các tác nhân các làm các phân tử khí bị ion hóa thành ion dương và electron tự do.Các hạt này đóng vai trò hạt tải điện

Dòng điện trong chất khí là dòng chuyển dởi có hướng của các ion dương cùng chiều điện trường và các eelctron tự do ngược chiều điện trường.

3. Quá trình dẫn điện không tự lực

- Quá trình dẫn điện của chất khí mà ta vừa mô tả gọi là quá trình dẫn điện (phóng điện) không tự lực. Nó chỉ tồn tại khi ta đưa hạt tải điện vào khối khí ở giữa hai bản cực và biến mất khi ta ngừng đưa hạt tải điện vào.

- Thay đổi hiệu điện thế U giữa hai bản cực và ghi lại dòng điện I chạy qua chất khí, ta thấy quá trình dẫn điện không tự lực không tuân theo định luật Ôm.

- Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của cường độ dòng điện I qua chất khí khi phóng điện không tự lực, theo hiệu điện thế U giữa hai điện cực, được vẽ trên hình 15.1.

Nó có 3 đoạn rõ rệt:

+ Đoạn Oa: U nhỏ, dòng điện tăng theo U.

+ Đoạn ab: U đủ lớn dòng điện I đạt giá trị bão hoà. I không đổi khi U tăng.

+ Đoạn bc: U quá lớn, I tăng nhanh khi U tăng, chứng tỏ rằng khi hiệu điện thế đã quá lớn, sự tăng hiệu điện thế làm cho điện trở của chất khí giảm, mật độ hạt tải điện tăng.

4. Quá trình dẫn điện tự lực trong chất khí và điều kiện để tạo ra quá trình dẫn điện tự lực

- Quá trình dẫn điện của chất khí có thể duy trì, không cần ta liên tục đưa hạt tải điện vào, gọi là quá trình dẫn điện (phóng điện) tự lực.

- Có bốn cách chính để dòng điện có thể tạo ra hạt tải điện mới trong chất khí:

1. Dòng điện chạy qua chất khí làm nhiệt độ khí tăng rất cao, khiến phân tử khí bị ion hoá.

2. Điện trường trong chất khí rất lớn, khiến phân tử khí bị ion hoá ngay khi nhiệt độ thấp.

3. Catôt bị dòng điện nung nóng đỏ, làm cho nó có khả năng phát ra êlectron. Hiện tượng này gọi là hiện tượng phát xạ nhiệt điện tử.

4. Catôt không nóng đỏ nhưng bị các ion dương có năng lượng lớn đập vào, làm bật êlectron ra khỏi catôt và trở thành hạt tải điện.

Tuỳ cơ chế sinh hạt tải điện mới trong chất khí mà ta có các kiểu phóng điện tự lực khác nhau.

Hai kiểu phóng điện tự lực thường gặp nhất là tia lửa điện và hồ quang điện

TIA LỬA ĐIỆN VÀ HỒ QUANG ĐIỆN

1.Qúa trình dẫn điện tự lực

a/Định nghĩa :Qúa trình dẫn điện tự lực là quá trình xuất hiện dòng điện trong chất khí có thể tự duy trì không cần tạo ra các hạt tải điện.

b/Điều kiện: 

+ Dòng điện chạy qua làm tăng nhiệt độ , các phân tử khí bị ion hóa.

+ Cường độ điện trường trong không khí rất lớn làm phân tử khí bị ion hóa.

+Các điện cực bi nung nóng đỏ có thể phát ra electron.

+ Các ion dương có năng lượng lớn đập vào điện cực có thể phát ra 

2.Tia lửa điện

a/Định nghĩa: Tia lửa điện là quá trình dẫn điện tự lực khi điện trường đủ mạnh làm ion hóa chất khí thành ion dương và electron.

b/Điều kiện: Tia lửa điện có thể hình thành ở điều kiện thường khi điện trường tới ngưỡng 3.${10}^6$ V/m. Hiệu điện thế đủ để phát phát sinh tia lửa điện trong không khí giữa hai điện cực dạng khác nhau.

c/Ứng dụng: Bộ phận đánh lửa sét ,từ đám mây giông.

3.Hồ quang điện

a/Định nghĩa: Hồ quang điện là quá trình dẫn điện tự lực của chất khí ở áp suất thường hoặc áp suất thấp , đặt vào hai điện thế không lớn có kèm nhiệt và phát sáng.

b/Điều kiện:

+ Làm cho hai đầu nóng đỏ, cung cấp điện trường đủ mạnh

+ Có dạng vòng cung và phát sáng giữa hai điện cực xung quanh có nhiệt độ cao nên dẫn điện tốt.

c/Ứng dụng : Hàn , đun chảy vật liệu, làm đèn phát sáng.