ELECTROCINETICA

ELECTROCINETICA

Electrocinetica se ocupa cu studiul starilor si fenomenelor din interiorul conductoarelor parcurse de curent electric de conductie. Purtatorii mobili de sarcini electrice, a caror miscare ordonata determina curentul electric de conductie, sunt electronii liberi la metale (conductoare de categoria a I a), ioni pozitivi si negativi la electroliti (conductoare de categoria a II a), electronii majoritari si golurile la semiconductoare.

La conductoarele metalice si semiconductoare, conductia este electronica si circulatia sarcinilor este insotita de dezvoltare de caldura, dar nu de reactii chimice.

La conductoarele de speta a doua (electroliti) conductie este ionica si la trecerea curentului electric se produc reactii chimice.

1 Tensiunea electromotoare (t.e.m.)

Pentru ca electronii liberi din metale, respectiv ionii din electroliti, sa se deplaseze in spatiul ocupat de conductoare, trebuie ca asupra lor sa actioneze forte neelectrice.

Raportul dintre forta neelectrica si sarcina asupra careia actioneaza se numeste cimp electric imprimat:

(1)

Pentru ca sarcinile sa fie puse in miscare e necesar sa existe relatia:

(2)

Aceasta forta rezultata efectueaza un lucru mecanic la deplasarea sarcinilor.

Prin definitie se numeste tensiune electromotoare integrala de linie

(3)

care este numeric egala cu lucrul mecanic efectuat de forta rezultanta pentru deplasarea sarcinii unitate pe conturul inchis .

Daca conturul este situat numai in medii conductoare aflate in regim electrostatic avem indeplinita conditia de echilibru electrostatic:

Fig. 1.

Se considera o pila electrica (fig. 1) in doua situatii:

1) - comutatorul K inchis (regim electrocinetic)

2) - comutatorul K deschis (regim electrostatic)

Daca condensatorul K este inchis, conturul se afla in intregime in conductor si integrala (3) este diferita de zero.

(5) deoarece exista o circulatie de sarcini (se stabileste un regim electrostatic).

Daca comutatorul K este deschis, rezulta din nou:

(5') deoarece drumul de integrare nu trece in intregime prin conductoare, deci nu se poate impune conditia (4) de echilibru electrostatic.

La ambele situatii descrise, integrala (5) si (5') se poate calcula si ea reprezinta tensiunea electromotoare a pilei electrice.

Descompunem integrala (5) sub forma:

Prima din integrale este nula deoarece este un camp columbian. Ramane deci:

(7)

Prima integrala din a doua egalitate este nula deoarece pe drumul AmB nu este camp imprimat, neexistand neomogenitati, deci in final expresia tensiunii electromotoare se scrie sub forma:

(8)

Care arata ca t.e.m. este produsa numai de campul imprimat si este localizata in portiunea unde exista camp imprimat (in cazul de fata pe conturul BnA unde se afla neomogenitati datorate prezentei unor conductoare de specii diferite aflate in contact).

Tensiunea electromotoare a unei surse este tensiunea masurata intre bornele sale, la mersul in gol al acesteia (comutatorul K este deschis).

In cazul general al regimului nestationar apare si campul electric indus care este un camp solenoidal , produs de variatia in timp a fluxului magnetic a carui circulatie nu este nula, deci t.e.m. in regim nestationar este data de suma:

(9)

2. Campuri imprimate.

S-a aratat ca t.e.m. reprezinta o marime fizica care produce curent electric in circuite, deci efectueaza un lucru mecanic. Acest lucru mecanic este transmis de la o sursa care transforma o energie neelectrica in energie electrica. Din punctul nostru de vedere energia este primita prin intermediul campului imprimat care este o marime fictiva (de calcul).

Campurile imprimate se clasifica in doua categorii:

1) campuri imprimate de volum.

campuri imprimate de acceleratie;

campuri imprimate de difuzie (de concentratie);

campuri imprimate termoelectrice de volum, etc.

2) campuri imprimate de suprafata(de contact).

campuri imprimate voltaice;

campuri imprimate termoelectrice de contact;

campuri imprimate galvanice;

campuri imprimate fotovoltaice.

Din categoria campuri imprimate de volum va fi prezentat pe scurt campul imprimat de acceleratie.

Campul imprimat de acceleratie (fig. 2) apare daca se roteste un disc metalic cu viteza . Electronii supusi fortei centrifuge se deplaseaza spre periferie, asupra lor actionand o forta neelectrica:

Fig. 2

Aceasta forta determina campul imprimat:

(11)

in care: este sarcina electronului;

este masa electronului;

Deplasarea electronilor spre periferie se face pana cand campul electrostatic al sarcinilor echilibreaza campul imprimat, adica este indeplinita conditia de echilibru electrostatic deoarece mediul este conductor.

Din categoria campurilor imprimate de suprafata (sau de contact) va fi prezentat, pe scurt campul imprimat galvanic.

Campul imprimat galvanic apare la suprafata de contact a doua conductoare de specii diferite.

Se considera un vas cu solutie de acid sulfuric in care se introduc doua metale diferite (fig. 3), zinc si cupru.

Fig. 3

Daca se considera un circuit inchis prin conductoarele metalice (1,4,3) cat si prin conductorul 2 (solutia de ) de speta a doua, rezulta t.e.m. de contur:

(12)

Ultimi doi termeni indeplinesc conditia

deci rezulta:

Aceasta este t.e.m a elementului galvanic.

La introducerea metalului (Zn sau Cu) in solutie, exista doua tendinte:

dizolvarea metalului in solutie;

presiunea osmotica (opusa dizolvarii);,

Corespunzator acestor doua tendinte pot aparea doua situatii:

daca presiunea de dizolvare este mai mare decat presiunea osmotica, ionii pozitivi trec din metal in solutie si metalul ramane incarcat negativ (cazul zincului);

daca presiunea de dizolvare este mai mica decat cea osmotica fenomenul se produce invers iar metalul se incarca pozitiv (cazul cuprului).

Tensiunile electromotoare care apar intre electrozi si solutiese numesc "tensiuni de electrod".

Tensiunile de electrod au ca referinta electrodul normal de hidrogen, al carui potential se considera nul. Tensiunile de electrod se masoara intre un electrod de metal scufundat intr-o solutie a unei sari a acelui metal.

Trebuie observat ca in elementul galvanic reprezentat in (fig. 3), electrozii sunt inconjurati de cate un perete poros care permite separarea celor doua solutii de sare a electrozilor (figurati punctat).

Tensiunile de electrod sunt calculate pentru metalele mai des utilizate in construirea pilelor galvanice si sunt date in tabele.

De exemplu pentru pila galvanica din (fig. 3) (Zn si Cu), t.e.m. (14) are valoarea calculata:

V (15)

Acumulatoare electrice.

Acumulatoarele electrice sunt elemente chimice reversibile care permit transformarea energiei chimice in energie electrica si invers (sunt surse secundare de energie electrica).

Din categoria acumulatoarelor acide fac parte acumulatoarele cu plumb, iar din categoria acumulatoarelor alcaline fac parte acumulatoarele fero-nichel si cadmiu-nichel.

Acumulatoarele cu placi din plumb sunt cele mai raspandite datorita calitatilor electrice remarcabile si tehnologiei de fabricatiei relativ usoara, comparativ cu alte tipuri.

Electrolitul este o solutie apoasa de acid sulfuric ( in apa distilata) cu o concentratie de 2030% (densitate 1,2.1,3).

Un element (o celula) al acumulatorului consta din mai multe placi pozitive legate intre ele si intercalate intre placile negative (fig. 4), astfel ca suprafata de contact cu electrolitul sa fie cat mai mare, iar distanta dintre placi cat mai mica.

Fig. 4. Placile acumulatorului cu plumb.

Substanta de baza atat a placilor pozitive cat si a celor negative este plumbul. Suporturile placilor se realizeaza sub forma de gratare dintr-un aliaj de plumb cu antimoniu pentru a avea o rezistenta mecanica mare. In cavitatile suportilor se introduce pasta compusa din amestecul in diferite proportii a: tetraoxidul de plumb (- miniu de plumb), monoxid de plumb (PbO-litarga), pitura de plumb, sulfat de amoniu, zaharat de bariu, sulfat de magneziu, grafit si glicerina. Pasta placilor pozitive are un continut diferit fata de cel al placilor negative. La placile pozitive se adauga agenti de porozitate (sulfat de amoniu, sulfat de magneziu), iar la placile negative se adauga agenti de conductivitate (grafit, sulfat de bariu). Distanta dintre placi se realizeaza cat mai mica pentru a obtine o rezistenta interioara de valoare redusa. Un acumulator cu plumb nou, inainte de a fi dat in folosire, trebuie supus operatiei de formare, care consta in incarcarea si descarcarea repetata cu un curent de valoare mica si electrolit de concentratie redusa.

In starea incarcata, placile pozitive contin oxid de plumb , cele negative contin plumb poros (spongios),electrolitul are concentratie ridicata (densitatea 1,29), t.e.m. pe element este de 2,7V.

In timpul descarcarii, atat la placile pozitive cat si la cele negative se formeaza sulfat de plumb , iar electrolitul se dilueaza (densitatea ajunge la 1,15).

Suprasolicitarea condensatorului in timpul descarcarii poate conduce la sulfatarea ireversibila a placilor, respectiv la micsorarea capacitatii si a duratei de functionare a acumulatorului.

Marimea fizica caracteristica acumulatorului este capacitatea exprimata in amperi/ora .

Acumulatoarele alcaline, al caror electrolit este o solutie alcalina, sunt de mai multe tipuri, cum ar fi fero-nichel (Fe-Ni), cadmiu-nichel (Cd-Ni), etc.

Comparativ cu acumulatoarele acide, aceste acumulatoare sunt mai usoare, mai robuste si nu necesita o intretinere speciala.

Electrozii sunt realizati din tabla sau sarma din otel nichelat, pe care sunt fixate substantele active. La electrodul pozitiv substanta activa este hidratul negru de nichel- , care se prepara foarte greu pe cale chimica dar se obtine foarte usor prin oxidare electrochimica, la formarea acumulatorului, din hidratul verde de nichel- .

Deoarece hidratul negru de nichel este rau conductor de electricitate i-se adauga:

solzi de Ni metalic, la acumulatoarele Fe-Ni

solzi de grafit, la acumulatoarele Cd-Ni

La electrozii negativi substanta activa este:

fierul, la acumulatoarele Fe-Ni

cadmiul spongios (15% Fe) la acumulatoarele Cd-Ni

Bacul si capacul sunt realizate din tabla de otel nichelat imbinate prin sudare.

Electrolitul este o solutie apoasa de potasa caustica (KOH), cu greutate specifica 1,19-1,21.

Spre deosebire de acumulatoarele acide, la acumulatoarele alcaline electrolitul nu participa la reactiile chimice ce au loc in timpul incarcarii si descarcarii, in consecinta, concentratia sa ramane nemodificata.

Tensiunea electromotoare a unui element de acumulator alcalin are valoare de 1,41V pentru acumulatoarele Fe-Ni ; 1,38V pentru acumulatoarele Cd-Ni.

La acumulatoarele Fe-Ni, borna minus este legata la masa, iar la acumulatoarele Cd-Ni borna plus este legata la masa.

Curentul electric

Se considera doua conductoare 1 si 2 incarcate cu sarcina electrica, avand potentialele si ,; legand intre ele cele doua conductoare printr-un fir metalic, echilibrul static al sarcinilor electrice dispare si se produce o deplasare de sarcini electrice prin firul metalic de la conductorul cu potentialul mai ridicat catre cel cu potentialul mai scazut. Aceasta deplasare are loc pana ce potentialele celor doua conductoare devin egale.

Pe parcursul acestui interval de timp sistemul, care formeaza un conductor unic, nu mai este in echilibru electrostatic.

In interiorul conductorului functia potential este diferita de zero.

creandu-se astfel un camp electric sub actiunea caruia se produce deplasarea sarcinilor electrice.

Experienta arata ca deplasarea sarcinilor prin firul metalic de legatura este insotita si de unele fenomene particulare cum sunt: fenomenul termic manifestat prin incalzirea firului si fenomenul magnetic manifestat prin aparitia unui camp magnetic in vecinatatea firului.

Ambele fenomene apar odata cu inceperea deplasarii sarcinilor electrice, dureaza atat timp cat se produce aceasta deplasare si dispare atunci cand a incetat deplasarea sarcinilor electrice.

Apare astfel o marime fizica noua, prin deplasarea in timp a sarcinilor electrice, care se manifesta pe langa efectele termice si magnetice, si prin efecte chimice, luminoase, etc.

Aceasta marime fizica noua este curentul electric, o marime scalara. Curentul electric este deci, o deplasare dirijata a sarcinilor electrice in conductoare.

Deplasarea dirijata a sarcinilor electrice in conductoarele metalice, da curentul electric de conductie. Luand o anumita sectiune prin conductorul electric, se poate defini intensitatea curentului electric de conductie ca fiind viteza de transmitere a sarcinilor electrice prin suprafata considerata de catre particulele incarcate cu electricitate:

(16)

Deplasarea sarcinilor electrice se face in sensul campului electric prin sarcinile pozitive, adica de la conductorul cu potentialul mai ridicat, catre conductorul cu potentialul mai scazut; sensul de deplasare a sarcinilor negative este opus sensului campului electric.

Prin conventie, se defineste ca directie pozitiva a curentului electric, sensul de deplasare a sarcinilor pozitive. Curentul electric este o marime ce a fost aleasa ca marime fundamentala in sistemul S.I.

Unitatea de masura a intensitatii curentului electric este amperul (A) si se defineste ca: intensitatea uni curent electric constant care, mentinut in doua conductoare paralele, rectilinii, de lungime practic infinita si de sectiune circulara neglijabila, asezate in vid la distanta de 1 metru unul de altul, ar produce intre acele doua conductoare o forta egala cu newton pe metru de lungime.

Pentru determinarea valorii densitatii si a intensitatii curentului, se recurge la urmatorul experiment.

Se defineste densitatea curentului de conductie, marimea vectoriala a carui flux prin suprafata considerata este egal cu intensitatea curentului de conductie care trece prin acea suprafata. (figura 5)

Considerand o suprafata oarecare S_Γ, sprijinita pe o curba inchisa Γ si care face parte din conductorul strabatut de curentul electric i, exista relatia:

(17)

Fig. 5

In relatia (17), sensul curentului este definit de sensul normalei la suprafata respectiva, iar sensul vectorului densitate de curent este dat de sensul local de deplasare a sarcinilor pozitive in punctul considerat.

Aceasta arata ca, in consecinta, curentul care trece prin suprafata elementara dA este dat de relatia:

(18)

Vectorul densitate de curent de conductie J, poate fi definit in orice punct al unui mediu conductor strabatut de un curent electric.

Totalitatea acestor vectori formeaza un camp de vectori numit camp de curenti. In acest camp se pot defini, la fel ca si in electrostatica, linii de camp numite linii de curent si tuburi de camp numite tuburi de curent.

Unitatea de masura a densitatii de curent este amper / metru patrat (A/m²).

In ceea ce priveste campul electric pe care il produc curentii electrici de conductie stationari, curentul continuu, acesta columbian care satisface conditia:

si poate fi exprimat prin gradientul unui potential

ceea ce inseamna ca si campul electric stationar al curentului continuu este un camp potential la fel ca si campul electrostatic.