Содержание
Элементарный учебник физики Т2
Элементарный учебник физики Т2
Оглавление
|
Электрическая проводка.
Природа электрического тока в полупроводниках.
Правило Ленца.
Индуктивность катушки.
Эстафета зарядов или необычный механизм проводимости в ионных жидкостях
Международная группа ученых, в состав которой входит исследователь из Сколтеха – профессор Николай Бриллиантов, выяснила как ионные жидкости проводят электрический ток. Понимание этих процессов открывает возможности широкого использования таких жидкостей в самых различных сферах. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical review X.
Ионные жидкости, по сути, представляют собой жидкие соли. В то время как обычные жидкости, например вода или бензин, состоят из электрически нейтральных молекул, молекулы ионных жидкостей несут электрические заряды.
Неорганические соли, такие, как, скажем, пищевая соль – это кристаллы, которые превращаются жидкость только при очень высоких температурах. Если же молекулы соли — органические молекулы, их температура плавления невысока и они оказываются жидкими уже при комнатных температурах. Поэтому их называют «ионными жидкостями комнатной температуры».
Ионные жидкости комнатной температуры обладают многими удивительными свойствами: Они могут проводить электрический ток, подобно ртути или электролитам. В то же время, они не токсичны, не такие тяжелые, как ртуть, не летучие, как обычные электролиты, и могут выдерживать очень высокое электрическое напряжение. Также они химически устойчивы при высоких температурах, а их ионы практически не участвуют в электрохимических реакциях. Их легко смешивать друг с другом для использования полученных «коктейлей» как специальных растворителей. Это приводит к практически неограниченному числу разнообразных растворителей с необходимыми качествами. Все эти свойства ионных жидкостей делают их весьма перспективными для применения в энергетике в самых различных устройствах: от суперконденсаторов до топливных элементов и батарей.
Последние могут быть весьма эффективными, экономичными, экологичными и мощными, что особенно важно, например, для робототехники. Используя футуристический жаргон, можно предположить, что описанные ионные жидкости могут в будущем стать «кровью роботов». Помимо этого, ионные жидкости могут быть также использоваться как гидравлические жидкости в гидравлических приводах. Это, в сочетании с их электрическими свойствами, открывает новые горизонты в робототехнике и опять указывает на уместность для таких ионных жидкостей термина — «кровь роботов».
Физический механизм электропроводности ионных жидкостей комнатной температуры был предметом споров с самого момента их открытия. Ситуация выглядит действительно противоречивой: с одной стороны, ионные жидкости состоят из заряженных частиц (ионов), которые являются непосредственными носителями заряда. Их концентрация в такой жидкости очень высока, так как ионы плотно упакованы. Это, казалось бы, предполагает очень высокую проводимость. С другой стороны, когда положительные и отрицательные ионы объединяются, они нейтрализуют друг друга, подобно ионам натрия и хлора в пищевой соли.
Благодаря плотной упаковке ионов образование нейтральных пар весьма вероятно. Нейтральные частицы не могут поддерживать электрический ток, поэтому проводимость должна исчезнуть. Истина, как обычно, где-то «посередине».
Чтобы раскрыть природу электропроводности в этих системах, международная группа ученых провела обширное моделирование ионных жидкостей комнатной температуры. Ученые из разных университетов, включая профессора Алексея Корнышева (Империал Колледж Лондон) и профессора Гуанга Фенга (Хуачжунский Университета Науки и Технологии), которые координировали исследования, разработали специальные вычислительные методы и теоретические подходы для изучения динамики частиц в ионных жидкостях комнатной температуры. Ключевую роль в разработке кинетической теории этих систем сыграл профессор Сколтеха Николай Бриллиантов.
Оказалось, что механизм электропроводности в таких жидкостях весьма необычен. Большую часть времени положительные и отрицательные ионы проводят в нейтральных парах или кластерах, где их электрический заряд компенсируется противоположными зарядами.
Таким образом, образуется нейтральное вещество, которое не может проводить электричество. Однако, время от времени положительные и отрицательные ионы «рождаются» в различных местах жидкости, что делает ее проводящей. «Рождение» ионов происходит из-за тепловых колебаний (флуктуаций). Иными словами, некоторые ионы случайно получают «порцию» энергии из окружающей жидкости. Этот всплеск энергии приводит к разрушению связей с другими ионами и ион освобождаются. Тщательный анализ показал, что положительные и отрицательные ионы в основном рождаются парами. Энергия, необходимая для рождения пары ионов, имеет порядок тепловой энергии, равной средней кинетической энергии молекул. Правда, живут свободные ионы совсем недолго. Через некоторое время они возвращаются в связанное состояние, где они снова не способны проводить электричество. В этом состоянии они ждут нового «периода свободы». Механизм проводимости в ионных жидкостях напоминает эстафету с зарядом: возникающие свободные ионы поддерживают электрический ток и несут свой заряд до тех пор, пока «живы».
Когда они «умирают», возвращаясь в нейтральное состояние, другие новые ионы продолжают эстафету, сохраняя проводимость жидкости и постоянный электрический ток. Можно провести удивительную параллель с кристаллическими полупроводниками, где положительные и отрицательные носители заряда – электроны и дырки также возникают парами из-за тепловых флуктуаций. Важное отличие, однако, в том, что электроны и дырки в полупроводниках не «реальные» частицы, а, по сути, коллективные возбуждения всего кристалла, которые ведут себя как частицы. Свободные же положительные и отрицательные ионы в ионных жидкостях – истинные частицы, несущие электрический заряд.
Как говорит профессор Николай Бриллиантов из Сколтеха, «Мы коллегами, ожидаем, что что явления, наблюдаемые в полупроводниках, будут обнаружены в ионных жидкостях комнатной температуры и найдут множество важных применений».
*****
Сколковский институт науки и технологий (Сколтех) – негосударственное научно-образовательное учреждение.
Созданный в 2011 году при участии Массачусетского технологического института (МТИ), институт готовит новые поколения исследователей и предпринимателей, развивает научные знания и содействует технологическим инновациям с целью решения важнейших проблем, стоящих перед Россией и миром в новом тысячелетии. Сколтех строит свою работу, опираясь на опыт лучших российских и международных образовательных и исследовательских институтов. При этом особый акцент делается на преподавание навыков предпринимательской и инновационной деятельности. Сайт: https://www.skoltech.ru/
Контакты:
Skoltech Communications
+7 (495) 280 14 81
*protected email*
*protected email*
Разница между электронной и ионной проводимостью
Ключевое различие между электронной и ионной проводимостью заключается в том, что электронная проводимость — это движение электронов из одного места в другое, тогда как ионная проводимость — это движение ионов из одного места в другое.
Термин проводимость относится к передаче энергии через вещество. Здесь энергия может передаваться в различных формах, таких как тепло и электричество. Электронная проводимость и ионная проводимость — это две формы методов передачи энергии, которые классифицируются в зависимости от среды проводимости.
СОДЕРЖАНИЕ
1. Обзор и основные отличия
2. Что такое электронная проводимость
3. Что такое ионная проводимость
4. Сравнение бок о бок – электронная и ионная проводимость в табличной форме
5. Резюме
Что такое электронная проводимость ?
Электронная проводимость — это процесс передачи энергии в виде электрического тока. Здесь способ проведения — движение электронов. Однако ни один электрон в любой системе не может внести свой вклад в этот метод проводимости. Электроны должны находиться в свободном состоянии, чтобы перемещаться из одного места в другое. Электроны внутренних оболочек атомов не могут двигаться. Еще одним требованием является наличие электрического поля, способного вызывать движение свободных электронов.
Рисунок 01: Проводимость электронов
Электроны, способные проводить проводимость, называются «электронами проводимости». Эти электроны не связаны прочно ни с одним атомом или молекулой. Эти свободные электроны могут перескакивать с орбитали атома на орбиталь соседнего атома. Однако в целом эти электроны связаны с проводником. Движение электронов начинается с приложения электрического поля. Электрическое поле задает направление движения электронов.
Что такое ионная проводимость?
Ионная проводимость — это процесс передачи энергии посредством движения ионных частиц. Во время ионной проводимости различные ионные частицы перемещаются из одного места в другое в соответствии с ионным градиентом. Ион представляет собой заряженную частицу; он может быть либо положительно заряжен, либо отрицательно заряжен. Положительно заряженные ионы движутся к отрицательно заряженным местам и наоборот. Склонность вещества к ионной проводимости измеряется как ионная проводимость.
Обозначается λ.
Рисунок 02: Мембранная ячейка, используемая при электролизе соляного раствора, где ионная проводимость осуществляется через мембрану в середине для поддержания стабильной концентрации ионов.
Чаще всего мы используем термин ионная проводимость в отношении кристаллических решеток. Здесь ионная проводимость относится к движению ионов от одного дефекта к другому в кристаллической решетке. Процесс проводимости ионов представляет собой механизм тока, при котором энергия передается из одного места в другое.
В чем разница между электронной и ионной проводимостью?
Электронная проводимость и ионная проводимость — это две формы методов передачи энергии, которые классифицируются в зависимости от среды проводимости. Ключевое различие между электронной и ионной проводимостью заключается в том, что электронная проводимость — это движение электронов из одного места в другое, тогда как ионная проводимость — это движение ионов из одного места в другое.
Ниже приведена сводная таблица различий между электронной и ионной проводимостью.
Резюме — электронная и ионная проводимость
Электронная проводимость и ионная проводимость — это две формы методов передачи энергии, которые классифицируются в зависимости от среды проводимости. Ключевое различие между электронной и ионной проводимостью заключается в том, что электронная проводимость — это движение электронов из одного места в другое, тогда как ионная проводимость — это движение ионов из одного места в другое.
Артикул:
1. «Металлическая проводимость». Encyclopædia Britannica, Encyclopædia Britannica, Inc., доступна здесь.
2. «Электропроводность». ScienceDaily, ScienceDaily, доступно здесь.
Изображение предоставлено:
1. «Conduction E vs DOS» Tem5psu — собственная работа (CC BY-SA 4.0) через Commons Wikimedia
2. «Chloralkali мембрана» Jkwchui — основано на * Bommaraju, Tilak V.; Орош, Пол Дж .; Сокол, Элизабет А.
(2007). «Электролиз рассола». Электрохимическая энциклопедия. Кливленд: Университет Case Western Rsserve. MSN Encarta. «Хлорщелочной электролиз». Архивировано 31 октября 2009 г. (CC BY-SA 3.0) через Commons Wikimedia 9.0007
2.4.1 Ионные проводники
2.4.1 Ионные проводники
2.4.1 Общие положения
Замечания
| В ионных проводниках ток равен транспортируется ионами, движущимися вокруг (и, возможно, также электронами и дырками). Транспорт электрического тока через ионов или ионов и электроны/дырки , встречается в: |
|||||||||
| Проводящие жидкости называемые электролиты . | |||||||||
| Ион проводящие твердые вещества , также называемые твердыми электролитами .  |
|||||||||
| Ионная проводимость важна для многих продуктов: батарейки (т.е. обычные и перезаряжаемый). |
|||||||||
| Топливные элементы . | |||||||||
| Окна и дисплеи электрохромные . | |||||||||
| Твердотельные датчики , особенно для реактивных газов. | |||||||||
| В отличие от чисто электронного транспорта тока, всегда химическая реакция связана с потоком тока который происходит везде, где ионный ток преобразуется в электронный ток, то есть на контактах или электродах. Однако может существовать измеримая разность потенциалов без втекающий ток ионные системы и, следовательно, приложения , а не , включающие химические реакции.  |
|||||||||
| Это большая разница с током, протекающим с электронами (или отверстия), где не требуется никакой химической реакции для протекания тока через контакты, поскольку «химические реакции» просто означает, что система меняется со временем. |
|||||||||
| Если мы посмотрим на проводимость твердых ионных проводники, мы смотрим на движение ионов в кристаллической решетке — т.е. движение (= диффузия) O – или H + ионы либо в виде межузельных атомов, либо в виде ионов решетки. |
|||||||||
| Другими словами, мы рассматриваем диффузию (ионизированных) атомов в некоторой кристаллической решетке, описываемую коэффициентом диффузии D . | |||||||||
| Поскольку коэффициент диффузии D и подвижность µ описывают по существу одно и то же, неудивительно, что они тесно коррелируют — по Эйнштейн-Смолуховский отношение (ссылка ведет на гиперскрипт полупроводника с выводом уравнения).  |
|||||||||
|
|||||||||
| Электропроводность твердотельных ионных дирижер таким образом становится |
|||||||||
|
|||||||||
| с нормальным аррениусовским поведением коэффициента диффузии и H m = энтальпия миграции иона, несущего один элементарный заряд.  Другими словами: мы должныожидайте сложного и сильно зависящего от температуры поведения; в частности, если c также является сильной функцией из Т . |
|||||||||
| Ionics тема посвящена лекционные курсы, здесь мы будем иметь дело только с двумя фундаментальными свойствами и уравнениями — Дебая длины и Нернста уравнением — в очень упрощенном виде. |
|||||||||||||||||||||||||||
| Самая общая и самая простая ситуация, которую мы необходимо учитывать, это контакт между двумя материалами, по крайней мере один из которых является твердый ионный проводник или твердый электролит. Соединения с жидкими электролитами, хотя и несколько сложнее, по существу следовать той же линии рассуждений.  |
|||||||||||||||||||||||||||
| Поскольку это предполагает, что некоторые виды ионов могут двигаться, или, другими словами, диффузная в твердом электролите локальная концентрация c подвижного иона может реагировать на два типа возбуждения силы: |
|||||||||||||||||||||||||||
| 1. Концентрация градиенты , приводящие к потокам частиц j diff (и, для частиц с зарядом q , автоматически на электрический ток j избранный = q · j diff ) данные Ficks законы |
|||||||||||||||||||||||||||
|
С D = диффузионный коэффициент диффундирующей частицы.  |
||||||||||||||||||||||||||
| 2. Электрические поля E , вызывающие электрический ток по закону Ома (или любой другой токо-вольтажной характеристике относится к частный случай), т.е. |
|||||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||||
Это имеет
Добавить комментарий