16) Elektrický proud v kapalinách a plynech

Princip vedení elektrického proudu v elektrolytech, Elektrolytická disociace

Základní pojmy

ELEKTROLYT = látka, která je v roztoku nebo tavenině disociována na ionty, které zprostředkovávají vedení elektrického proudu. Při průchodu proudu dochází na elektrodách ponořených do

roztoku elektrolytu k chemickým změnám.

ELEKTROLYTICKÁ DISOCIACE = děj, při kterém dochází k rozštěpení molekul elektrolytu na ionty. (např. rozpouštědla)

Jedná se o samovolný proces.

Potom rozeznáváme 2 druhy iontů:

KATIONTY = kladně nabité částice

ANIONTY = záporně nabité částice

ELEKTRODA = část vodiče, kterou se přivádí elektrický proud do roztoku elektrolytu

ANODA = elektroda spojená s kladnou svorkou zdroje

KATODA = elektroda spojená se zápornou svorkou zdroje

ELEKTROLÝZA = souhrn chemických procesů probíhajících v roztoku elektrolytu a na povrchu elektrod při průchodu elektrického proudu spojený s přenosem látky

Příklady elektrolýzy:

A B

Shrnutí:

Při elektrolýze se na katodě vylučují vždy kovy nebo vodík.

Závislost proudu v elektrolytu na napětí

Podle druhu elektrolytu a typu použitých elektrod mohou nastat dva rozdílné případy:

při průchodu proudu elektrolytem nedochází k chemickým změnám

potom

VA charakteristika elektrolytic. vodiče

z dané závislosti plyne:

obdobné jako u kovů

při průchodu proudu elektrolytem dochází k chemickým změnám

potom

VA charakteristika elektrolytic. vodiče

.......... ROZKLADNÉ NAPĚTÍ

z dané závislosti plyne:

jestliže U < U

potom proud I zaniká

jestliže U > U

potom se proud I s napětím U lineárně zvětšuje

OHMŮV ZÁKON pro ELEKTROLYTY

R .... ODPOR ELEKTROLYTU

závisí na druhu a koncentraci roztoku

závisí na poloze a velikosti elektrod

Faradayovy zákony

Faradayovy zákony elektrolýzy

Zákony popisují vzájemnou přeměnu elektrické a chemické energie.

Experimentálně byly odvozeny v roce 1834 - M. Faraday (1791-1867)

PRVNÍ FARADAYŮV ZÁKON

Hmotnost látky vyloučené na elektrodě při elektrolýze je přímo úměrná prošlému náboji, který přenesly ionty při této elektrolýze.

matematický zápis zákona:

DRUHÝ FARADAYŮV ZÁKON

Hmotnosti různých prvků (nebo radikálů) vyloučených při elektrolýze týmž celkovým nábojem jsou chemicky ekvivalentní.

matematický zápis zákona:

Faradayovy zákony elektrolýzy

Při elektrolýze se na katodě vylučuje vždy vodík nebo kov (vytvářejí kladné ionty). Na anodě se může vylučovat také látka, ale může také docházet jen

k rozpouštění anody. Každá vyloučená molekula přijme z katody (resp. odevzdá anodě) několik elektronů. Označíme-li počet elementárních nábojů nutných pro vyloučení

jedné molekuly symbolem , je počet vyloučených molekul , kde je celkový náboj prošlý povrchem elektrody. Pro celkovou hmotnost vyloučené látky

dostáváme: , kde je hmotnost molekuly, molární hmotnost vyloučené látky, Avogadrova konstanta a je

Faradayova konstanta. Odvozený výraz vyjadřuje zákony, které objevil v roce 1833 britský fyzik a chemik Michael Faraday (1791 - 1867).

První Faradayův zákon určuje hmotnost látky vyloučené na elektrodě nebo v roztoku.

HM OTNOS T VYL OUČ ENÉ LÁ TKY JE PŘ ÍM O ÚM ĚR NÁ NÁ BOJI , KTER Ý PR OŠ EL EL EKTR OL YTEM : , KD E KONS TA NTA ÚM ĚR NOS TI JE

PR O DA NOU L Á TKU CHA R A KTER IS TIC KÁ A NA ZÝV Á S E ELEKTROCHEM IC KÝ EKVIVA LENT L Á TKY; .

Druhý Faradayův zákon zpřesňuje výpočet konstanty A ,která vystupuje v prvním zákoně.

ELEKTR OC HEM IC KÝ EKVIVA LENT L Á TKY VYP OČTEM E, J ES TL IŽE J EJÍ M OL Á R NÍ HM OTNOS T DĚL ÍM E FA R A DA YOVOU KONS TA NTOU A POČ TEM

ELEKTR ONŮ NUTNÝCH K VYL OUČ ENÍ JED NÉ M OL EKULY: . LÁ TKOVÁ M NOŽS TV Í RŮZNÝCH LÁ TEK VYLOUČENÝCH PŘ I EL EKTROLÝZE TÝMŽ

NÁ BOJ EM JS O U CH EM ICKY EKV IVA L ENTNÍ. (M OHOU S E NA V ZÁ JEM NA HR A D IT V CHEM IC KÉ S L OUČENINĚ NEBO S E M OHOU BEZE ZBYTKU S L OUČ IT. )

Počet elektronů, které jsou nutné k vyloučení jedné molekuly látky poznáme toho, o kolikavazný prvek se v dané sloučenině jedná. Tak např. k vyloučení mědi ze

síranu měďnatého jsou zapotřebí 2 elektrony, neboť měď je dvojvazná - vytváří kationty . (Jde o síran měďnatý!)

Elektrolýza má rozsáhlé využití v praxi - galvanické pokovování, galvanické leptání, využívá se v elektrometalurgii (výroba hliníku elektrolýzou taveniny , výroba

sodíku elektrolýzou taveniny NaCl, …), …

Galvanický článek

základní význam: přeměňují chemickou energii na elektrickou a během vybíjení slouží jako zdroj napětí

Základní rozdělení galvanických článků:

PRIMÁRNÍ - pouze na jedno použití (nedají se dobíjet)

SEKUNDÁRNÍ (AKUMULÁTORY) - dají se opakovaně dobíjet

Základní charakteristiky galvanických článků:

KAPACITA ČLÁNKU - udává se v ampérhodinách (Ah) a představuje.součin vybíjecího proudu a celkové doby vybíjení (např.:kapacita automobilového akumulátoru je 40 Ah a to znamená, že

akumulátor se může proudem 1 A vybíjet po dobu 40 h, proudem 2 A se může vybíjet 20 h atd.)

ELEKTROMOTORICKÉ NAPĚTÍ (U

) - napětí nezatíženého článku, tj. článku, ke kterému není připojený žádný spotřebič

VNITŘNÍ ODPOR - odpor vnitřních vodivých částí galvanického článku (elektrody, elektrolyt), vnitřní odpor článku se při odběru proudu postupně zvětšuje, článek se vybíjí

PŘEHLED GALVANICKÝCH ČLÁNKŮ A AKUMULÁTORŮ

A) Galvanické články

NÁZEV ELEKTROLYT ANODA (+) KATODA

(-)

VYUŽITÍ POZNÁMKA

Voltův článek kyselina sírová měď (Cu) zinek (Zn) 1,1 V Voltův sloup historicky první zdroj elektrického

proudu

zinko-uhlíkový článek (Leclancheův

článek)

chlorid amonný

oxid manganičitý

(MnO

)

zinek (Zn) 1,5 V přístroje s nízkým odběrem (dálkové ovladače, hodiny,

svítilny, hračky)

různé provedení

(mikrotužková baterie, plochá

baterie)

chem. reakce

zinko-chloridový článek chlorid zinečnatý

ZnCl

oxid manganičitý

(MnO

)

zinek (Zn) 1,5 V

3 V

6 V

9 V

vyšší životnost než u zinko-uhlíkového článku různé provedení

(mikrotužková baterie, plochá

baterie)

chem. reakce

alkalický článek hydroxid draselný oxid manganičitý

(MnO

)

zinek (Zn) 1,5 V kvalitní baterie

B) Akumulátory

NÁZEV ELEKTROLYT ANODA (+) KATODA (-) Ue VYUŽITÍ POZNÁMKA

olověný akumulátor kyselina sírová oxid olovičitý (PbO

) olovo (Pb) 2 V automobily tvrdý zdroj

nikl-ocelový akumulátor

(NiFe)

hydroxid draselný KOH nikl (Ni) železo (Fe) 1,2 V

nikl-kadmiový akumulátor

(NiCd)

hydroxid draselný KOH oxid-hydroxid niklitý

NiO(OH)

kadmium Cd 1,2 V využívány v extrémních klimatických

podmínkách (- 40°C)

nikl-metal hydridový

akumulátor (NiMH)

hydroxid draselný KOH oxid-hydroxid niklitý

NiO(OH)

vodík vázaný v hydridu

kovu (metal)

1,2 V mobilní telefony, přenosné počítače vyšší kapacita než u NiCd

(cca o 40%)

lithium-iontový akumulátor

(Li-ion)

lithiová sůl (např. LiPF

) + organické

rozpouštědlo

oxid lithno-kobaltitý

LiCoO2

lithium vázané v grafitu 3,6 V mobilní telefony, kamery, notebook

Rozdělení galvanických článků podle velikosti a tvaru:

NÁZEV ZNAČENÍ Ue

mikrotužková AAA 1,5 V

tužková AA 1,5 V

malý monočlánek C 1,5 V

velký monočlánek D 1,5 V

devítivoltová baterie 9 V

plochá baterie 4,5 V

(3x1,5)

knoflíkové baterie 1,5 V

6 V

12 V

Ionizace plynu, Samostatný a nesamostatný výboj v plynech

Samostatný a nesamostatný výboj v plynu

víme

vzduch - za obvyklých podmínek je izolant

obrázek

I = 0

přiblížení plamene

obrázek

I ≠ 0

působením plamene se plyn IONIZUJE

(molekuly se rozštěpí na elektron a kladný ion)

↓

v případě, že budeme udržovat mezi deskami stálé napětí, začne obvodem procházet elektrický proud, který nazýváme VÝBOJ

(KLADNÉ ionty budou přitahovány ke KATODĚ, ZÁPORNÉ ionty a ELEKTRONY k ANODĚ)

REKOMBINACE = opačný děj k ionizaci

nesouhlasné částice se přitahují a vytvářejí opět neutrální molekuly

tento děj probíhá současně s ionizací

NESAMOSTATNÝ VÝBOJ

je elektrický proud v plynu, který se udržuje jen po dobu působení ionizátoru

po odstranění ionizátoru zaniká

IONIZÁTOR = plamen svíčky, záření

VA charakteristika výboje (graf závislosti proudu na napětí)

Oblast 1: většina iontů zaniká než doletí na elektrody (platí Ohmův zákon)

Oblast 2: všechny elektrony vzniklé ionizací doletí na elektrody (proud se nezvyšuje - nasycený proud I

)

Oblast 3: překročení zápalného napětí U

- nastává ionizace nárazem (elektrony a ionty vzniklé ionizací sami předávají část energie neutrálním částicím - výboj probíhá i bez přítomnosti

ionizátoru

SAMOSTATNÝ VÝBOJ

Poznámka:

IONIZAČNÍ ENERGIE

je energie potřebná k odtržení elektronů z neutrálních molekul a atomů

závisí na druhu prvku a energetickém stavu atomu

udává se elektronvoltech (eV)

1 eV = 1,602 . 10

-19

praktické hodnoty:

pro vodík E = 13,53 eV

pro kyslík E = 15,8 eV

Samostatný výboj v plynu za normálního a sníženého tlaku

Velmi často bývá doprovázen světelnými a zvukovými efekty.

Přehledné rozdělení:

VÝBOJ ZA NÁZEV CHARAKTERISTIKA VYUŽITÍ FOTO, VIDEO

NORMÁLNÍHO

ATMOSFÉRICKÉHO

TLAKU

OBLOUKOVÝ

VÝBOJ

velký proud - rozžhavení uhlíkových elektrod až na

teplotu 6000 K

- ke sváření kovů

- v osvětlovacích výbojkách

vysokotlaké výbojky plněné xenonem

(promítací přístroje)

vysokotlaké sodíkové výbojky (žluté světlo -

veřejné osvětlení)

vysokotlaké rtuťové výbojky ("horské

slunce" - ultrafialové záření)

JISKROVÝ

VÝBOJ

velký proud krátkého trvání, přeskok jiskry je

doprovázen zvukovými efekty

v přírodě blesk

I = 10kA - 30kA

U = 10 MV - 1 GV

E = 100 kWh

KORÓNA

trsovitý výboj vznikající v nehomogenním magnetickém

poli okolo drátů, hran a hrotů s vysokým potenciálem

SNÍŽENÉHO

TLAKU

DOUTNAVÝ

VÝBOJ

p = 100Pa, I = 10

-3

nízká teplota elektrod

modré katodové doutnavé světlo

růžový anodový sloupec

doutnavky (krátké výbojky plněné neonem

při tlaku 1000Pa) - kontrolní světla

anodový sloupec se využívá v reklamních

trubicích a zářivkách

doutnavý výboj při snižování tlaku vzduchu

doutnavka ve zkoušečce

využití doutnavky k ověření zelektrování

tělesa

KATODOVÉ

ZÁŘENÍ

tok elektronů emitovaných z katody ve vyčerpané

výbojové trubici

výbojová trubice = skleněný uzavřený válec s

elektrodami

emise elektronů = uvolňování elektronů přímo z katody

elektronový paprsek = soubor letících elektronů

p < 2 Pa (téměř vakuum)

U = 10 000 V

vychyluje se v elektrickém a magnetickém

poli (v osciloskopech)

ionizuje vzduch a ostatní plyny (získávání

iontů pro urychlovače)

místo dopadu se zahřívá (tavení a sváření

kovů)

má chemické účinky (ve fotografii)

dopadem na kovový materiál vyvolává

rentgenové záření (v lékařství)

proniká tenkými materiály a rozptyluje se

(výzkum povrchu pevných látek)

mechanické a světelné účinky

vychylování v magnetickém poli

Nesamostatný a samostatný výboj v plynu

Vzduch je za normálních okolností dobrým izolantem.

O tom svědčí některé experimenty z elektrostatiky, při nichž výchylka např. na elektroskopu vydrží poměrně dlouho stálá.

Lze ukázat, že plyn je možné ionizovat, tj. rozštěpit některé jeho molekuly na elektron a kladný iont.

Např. svíčkou vloženou mezi dvě svislé rovnoběžné kovové desky připojené ke zdroji vysokého napětí, jejíž plamen se bude odchylovat směrem k záporně nabité

desce.

Plamen, rentgenové nebo radioaktivní záření, ohřátý vzduch, … působí jako ionizátor - dodávají energii potřebnou k rozštěpení molekul (atomů). Vzduch je běžně

alespoň částečně ionizován účinkem kosmického záření a radioaktivity zemské kůry (v vzniká každou sekundu asi 10 kladných iontů a elektronů). Elektron vzniklý

ionizací se může spojit s neutrální molekulou a vytvořit záporný iont. Současně probíhá uvnitř plynu i děj opačný - rekombinace.

Nachází-li se ionizovaný plyn v elektrickém poli mezi dvěma elektrodami, vzniká elektrický proud jako uspořádaný pohyb kladných iontů k záporně nabité katodě,

záporných iontů a elektronů ke kladně nabité anodě. Ionty, které dorazí na elektrody ztrácejí svůj náboj a mění se v neutrální atomy. Elektrický proud v plynu, který se

udržuje jen po dobu působení ionizátoru, se nazývá nesamostatný výboj. Jakmile přestane ionizátor působit, převládne rekombinace nad ionizací elektrický proud

zaniká.

Elektrické vlastnosti ionizovaného plynu je možné měřit v ionizační komoře, což je v podstatě deskový kondenzátor v kovovém krytu s okénkem, kterým do

prostoru mezi deskami proniká ionizující záření. Pomocí ionizační komory se dá měřit voltampérová charakteristika výboje. Tato charakteristika je znázorněna na

obr. 81.

Je-li napětí malé, většina iontů zanikne rekombinací dříve, než dorazí na elektrody. V této fázi je počet elektronů, které předají svůj náboje elektrodám přímo úměrný

napětí a platí tedy Ohmův zákon. S rostoucím napětím se pohyb elektronů zrychluje, až při určitém napětí jich převážná část nestačí rekombinovat a doletí

k elektrodám. Komorou prochází nasycený proud, který se při dalším růstu napětí dlouho nemění (Ohmův zákon v této fázi výboje již neplatí). K dalšímu zvýšení

proudu dochází až po překročení zápalného napětí . Příčinou zvýšení proudu je ionizace nárazem - elektrony a ionty vzniklé ionizací narážejí při svém pohybu na

neutrální molekuly, kterým předávají kinetickou energii získanou urychlením elelektrickým polem. Jsou-li urychleny dostatečně, mají takovou kinetickou energii, že jsou

schopny nárazem na neutrální molekulu tuto molekulu ionizovat. Počet iontů tak lavinovitě narůstá a nastává samostatný výboj, který je nezávislý na vnějším

ionizátoru. Vysoce ionizovaný plyn v samostatném výboji se nazývá plazma.

Obr. 81

Při samostatném výboji se mohou uplatnit i elektrony uvolněné z elektrod dopadem iontů. Tento děj se nazývá sekundární emise. K uvolnění elektronů z elektrody

může dále dojít:

1. tepelnou emisí - rozžhavením elektrody dochází k uvolňování elektronů

2. fotoemisí - dopad ultrafialového záření může také vyvolat emisi elektronů

3. tunelovým jevem - elektrony jsou vytrhovány silným elektrickým polem v blízkosti katody

Samostatný výboj v plynu za atmosférického a za sníženého tlaku

Za atmosférického tlaku mohou nastat tyto typy vývoje:

Obloukový výboj lze realizovat elektrickým obvodem s napětím zdroje alespoň , který dává proud alespoň , dvěma uhlíkovými elektrodami

a předřadným rezistorem. Přiblížíme-li elektrody k sobě a přitiskneme-li je k sobě, konce elektrod se rozžhaví a po oddálení elektrod od sebe (řádově na milimetry)

způsobí tepelnou ionizaci molekul okolního vzduchu. Obvodem prochází velký elektrický proud, kterým se teplota elektrod i plazmy mezi nimi zvýší na několik tisíc kelvinů.

Pro technickou praxi je tento typ výboje nejrozšířenější. Použití:

1. vysokotlaké xenonové výbojky - zdroj intenzivního světla (promítací přístroje, světlomety, …)

2. vysokotlaké sodíkové výbojky - veřejné osvětlení, …

3. vysokotlaké rtuťové výbojky - zdroj ultrafialového záření („horské sluníčko“, …)

4. obloukové sváření kovů - jednou elektrodou je svařovaný materiál, druhou tvoří drát z přídavného kovu.

Jiskrový výboj se od obloukového liší krátkou dobou trvání. Dojde k němu, když intenzita elektrického pole mezi elektrodami dosáhne hodnoty potřebné pro

lavinovitou ionizaci, ale zdroj tohoto pole není schopen trvale dodávat elektrický proud. Přeskok jiskry je doprovázen vznikem zvukové vlny, kterou vnímáme jako

prasknutí (malé výboje) nebo ohlušující ránu (silné výboje ve zkušebnách vysokého napětí, …). Vysokou teplotou se narušuje povrch elektrod.

Mohutným jiskrovým výbojem přírodního charakteru je blesk, kterým se během bouřky vyrovnává elektrické napětí mezi dvěma mraky nebo mrakem a zemským

povrchem, které dosahuje až . Během tisíciny sekundy dosahuje proud hodnot až a uvolňuje se energie až .

Bohužel jako zdroj elektrické energie pro lidstvo je nevyužitelný. Není předem známo kdy a kam udeří a navíc by byl problém v tak krátkém čase zpracovat takové

množství energie.

Koróna je trsovitý výboj, který vzniká v nehomogenním elektrickém poli okolo drátů, hrotů a hran s vysokým potenciálem, jestliže intenzita elektrického pole je

dostatečná pro vyvolání lavinovité ionizace jen v jejich nejbližším okolí. Koróna způsobuje ztráty na vedení velmi vysokého napětí, lze se s ní setkat v silných

atmosférických polích před bouřkou na skalních útesech, stožárech lodí, … Námořníci tomuto jevu říkají tzv. Eliášův oheň.

V elektrickém poli mezi elektrodami jsou ionty a elektrony urychlovány elektrostatickou silou. Změna kinetické energie nabité částice mezi dvěma nárazy na neutrální

molekuly je největší při pohybu ve směru působení elektrostatické síly a platí: , kde E je velikost intenzity elektrického pole a l proběhnutá vzdálenost. Střední

volná dráha částice je nepřímo úměrná hustotě molekul plynu. Za atmosférického tlaku je malá - asi . Má-li dojít k lavinovité ionizaci nárazem, musí mít elektrické

pole intenzitu o velikosti .

Umístíme-li elektrody do uzavřeného prostoru výbojové trubice, v níž snížíme tlak plynu, zvětší se střední volná dráha elektronů (i iontů) a zvýší se i práce

vykonaná elektrostatickou silou mezi dvěma nárazy nabité částice na neutrální molekuly. K samostatnému výboji dochází tedy už při mnohem menším napětí mezi

elektrodami než za atmosférického tlaku.

K pozorování výboje za sníženého tlaku slouží výbojová trubice, z níž je postupně odčerpáván vzduch. Při poklesu tlaku (už na hodnotu asi ) se náhle objeví

úzký vlnící se pruh výboje, který se postupně rozšiřuje a při tlaku vyplňuje celou trubici. Probíhá doutnavý výboj, který se od obloukového liší malým proudem

a nízkou teplotou elektrod i výbojové trubice. V blízkosti katody je možné pozorovat modré katodové doutnavé světlo a skoro celý zbytek trubice vyplňuje růžový

anodový sloupec (viz obr. 82). Při doutnavém výboji je napětí mezi elektrodami rozloženo nerovnoměrně. Vzhledem k většímu potenciálovému spádu mezi katodou

a katodovým doutnavým světlem, má elektrické pole větší intenzitu než v anodovém sloupci. Kladné ionty, vzniklé v oblasti katodového doutnavého světla, jsou silně

urychlovány a při dopadu na katodu některé z nich způsobí sekundární emisi elektronů. Elektrony uvolněné z katody postupují k anodě a vyvolávají lavinovitou ionizaci

plynu. Oba děje se vzájemně podmiňují.

Užití doutnavého výboje:

1. doutnavky - krátké výbojky plněné neonem při tlaku řádově . V nich nevzniká anodový sloupec, ale jen katodové doutnavé světlo, které pokrývá

elektrodu s nižším potenciálem. Zápalné napětí je . Užití: kontrolní světla s nepatrnou spotřebou, …

2. reklamní trubice, zářivky - využívají anodový sloupec. Jejich plynnou náplň tvoří argon a páry rtuti. Samotný výboj vydává především ultrafialové záření, které

způsobuje světélkování vrstvy oxidů kovů nanesené na vnitřní stěně trubice. Světelná účinnost je několikrát větší v porovnání se žárovkami.

Obr. 82

Pomocí doutnavky je možné určit náboj zelektrovaného tělesa. Přiblížíme-li sulfitovou doutnavku k zelektrovanému tělesu a objeví-li se v doutnavce výboj, pak je

dané těleso nabito záporně, neboť doutnavý výboj se objevuje u katody.

Užití proudu v kapalinách a plynech

Využití elektrolýzy v praxi

Elektrometalurgie – průmyslový obor, který se zabývá výrobou nebo čištěním (rafinací) kovů elektrolýzou (OBR. 1). Ukažme na příkladu výroby hliníku. Z bauxitu se nejprve vyrobí

čistý Al

: Bauxitová ruda se zahřívá s roztokem NaOH, ve kterém se rozpustí hliníková složka na hlinitan sodný; nerozpustné složky (železitá, křemičitá) se odfiltrují. Z hlinitanu se získá

Al(OH)

zaváděním CO

; žíháním Al(OH)

se připraví čistý Al

. Dále se postupuje s využitím elektrolýzy. Elektrolytická vana (elektrolyzér) zhotovená z uhlíku se naplní taveninou Al

s Na

AlF

, který snižuje teplotu tání na 950 °C. Katodou jsou uhlíkové stěny elektrolytické vany, anodou silné uhlíkové tyče ponořené do elektrolytu. Průchodem elektrického proudu mezi

katodou a anodou se směs taví, dochází k elektrolýze a na dně uhlíkové vany se postupně usazuje roztavený čistý hliník, odkud se vypouští do zvláštních forem. Kyslík se vylučuje na

anodě, která uhořívá za vzniku CO. Podobně se elektrolyticky vyrábějí např. hořčík, sodík, vápník. Elektrolýzy se používá i k čištění neboli rafinaci kovů. Např. elektrolýzou lze vyrobit

čistou měď. Základem je opět elektrolytická vana naplněná elektrolytem (síran měďnatý), do něhož jsou střídavě ponořeny jednak silné desky z hutní mědi (anoda), jednak slabé plechy z

chemicky čisté mědi (katoda). Jestliže k elektrodám připojíme zdroj stejnosměrného napětí, začne se na katodě vylučovat chemicky čistá měď, anoda z hutní mědi se postupně rozpouští v

elektrolytu a nečistoty klesají na dno.

Vysoušení zdí. V cihle, maltě, betonu a jiných stavebních materiálech jsou kapiláry, kterými vzlíná voda od základů stavby vzhůru a zvlhčuje stěny zdí. Ve vodě jsou rozpuštěny různé

soli, a tak zdivem vlastně vzlíná elektrolyt. Do vlhké zdi se zatloučou z obou stran hřebíky, připojí se k napětí přibližně 30 V. Elektrolyt v kapilárách se začne elektrolýzou rozkládat,

částečkami soli se kapiláry zaplní, a tím se omezí vzlínání vody. Současně probíhá i elektrolýza vody na plynný vodík a kyslík, které ze zdiva vyprchávají, a tak se urychlí i vysušení zdiva (viz

OBR. 2).

Galvanostegie (galvanické pokovování) (OBR. 3) – obor, který se zabývá pokovováním povrchů různých kovových předmětů elektrolytickým způsobem. Např. povrch ocelových

předmětů se pokrývá vrstvou mědi, niklu a chromu, ušlechtilými kovy, které předmět chrání před korozí a zlepšují jeho vzhled. Ze stejných důvodů se pokovují i jídelní příbory, kliky dveří a

jiné předměty zhotovené z méně ušlechtilých kovů. Předměty, které se mají pokovit, musejí být dokonale čisté a odmaštěné a umísťují se do elektrolytické vany jako katoda. Anodou je

obvykle kov, jímž se má předmět pokovit. Elektrolytem je roztok soli tohoto kovu ve vodě.

OBR. 1 OBR. 2 OBR. 3

Galvanoplastika (OBR. 4) – elektrolytický způsob výroby kovových povlaků silných i několik milimetrů. Umožňuje zhotovovat velmi přesné kovové lisovací formy, kterých se používají

k výrobě různých předmětů, např. gramofonových desek. Zvuk z mikrofonu se rycím hrotem zaznamená nejdříve do voskové nebo jiné měkké hmoty, a tak se získá tzv. pozitivní fólie se

spirálovou drážkou. Na fólii se pak zachytí velmi jemný prášek stříbra, vznikne vodivý povrch, elektrolytickým postupem se na něm vytvoří silnější vrstva mědi, a tak se získá lisovací forma

zvaná originál, jejíž vyvýšeniny jsou věrným obtiskem ve vosku vyrytých drážek. Takto zhotovených lisovacích forem se pak používá k výrobě (dnes opět populárních) gramofonových

desek.

Polarografie je elektrochemická analytická metoda založená na měření vzájemné závislosti napětí a proudu při elektrolýze zkoumaného roztoku pomocí polarizované (rtuťové kapkové)

a nepolarizované elektrody (OBR. 5, 6). Metoda objevena českým vědcem Jaroslavem Heyrovským; roku 1959 oceněna Nobelovou cenou.

OBR. 4 OBR. 5 OBR. 6

Využití doutnavého výboje v praxi

Užití termoemise elektronů

Termoemise elektronů

Volné elektrony nemohou opustit kov, neboť jsou přitahovány kladnými ionty. Jejich potenciální energie je uvnitř kovu menší než na jeho povrchu. Jestliže však získají

volné elektrony dostatečnou kinetickou energii, např. tepelnou výměnou nebo ozářením, mohou kov opustit.

Uvolňováním elektronů z povrchu pevných látek nebo kapalných těles při vysoké teplotě nazýváme termoemise.

Mírou nejmenší energie potřebné na uvolnění elektronu z kovu je výstupní práce W. Hodnota této veličiny závisí na druhu kovu, čistotě jeho povrchu a může ji ovlivnit i

elektrické pole, ve kterém se kov nachází. Např. v elektrickém poli s intenzitou o velikosti asi 105 V/m ve vakuu je pro čistý wolfram W = 4,53 eV. Jestliže se pokryje povrch

oxidem barnatým, je W = 1,5 eV.

Termoemisí elektronů můžeme demonstrovat např. pomocí žárovky s kovovým vláknem. Skleněnou baňku žárovky zabalíme do staniolu tak, aby se nedotýkal objímky,

nabijeme ho kladným nábojem a vodivě spojíme s elektroskopem. Při rozsvícení žárovky pozorujeme, že výchylka elektroskopu klesne.

Termoemise elektronů se prakticky využívá při činnosti vakuových a plynových elektronek. V nich se žhaví přímo nebo nepřímo katoda a proud elektronů od katody k

anodě v elektrickém poli se řídí mřížkami. Jsou to elektrody, které se vkládají mezi anodu a katodu.

Katodové a kanálové záření, obrazovka

Uvnitř trubice, v níž probíhá doutnavý výboj, se proti sobě pohybují dva druhy nabitých částic - elektrony a kladné ionty. Jestliže opatříme katodu otvorem

(kanálem), budou kladné ionty pronikat za katodu jako tzv. kanálové záření (obr. 83) a projeví se světélkováním plynné náplně. Podobně prolétají otvorem v anodě

elektrony jako tzv. katodové záření, které způsobuje světélkování skleněné stěny výbojové trubice. Objev obou druhů záření měl zásadní význam pro další výzkum

stavby hmoty: zkoumáním katodových paprsků byla objevena existence elektronů, studium kanálového záření umožnilo měření hmotnosti iontů a objev izotopů.

Obr. 83

Při zmenšení tlaku pod , projdou elektrony uvolněné z katody téměř beze srážek celou výbojovou trubicí. Katodové doutnavé světlo a anodový sloupec zmizí,

ale stěny trubice proti katodě budou silně zeleně světélkovat. V trubici převládne katodové záření.

Vlastnosti katodového záření:

1. způsobuje světélkování

2. magnetické a elektrické pole způsobuje jeho vychylování - např. obrazovka, …

3. má účinky mechanické - může např. roztočit lehký mlýnek (tzv. Croogsův mlýnek)

4. má účinky tepelné - jeho soustředěním lze rozžhavit anodu

5. má účinky chemické - může způsobit naexponování fotografického materiálu

6. vyvolává pronikavé rentgenové záření - při dopadu na kov s velkou relativní atomovou hmotností

Obr. 84

Nejrozšířenějším zařízením, které využívá katodové paprsky je obrazová elektronka - obrazovka (na obr. 84 je schéma obrazovky s elektrostatickým

vychylováním paprsku). V obrazovce je vysoké vakuum ( ). Katoda K obrazovky je rozžhavena žhavícím vláknem a uvolňuje elektrony tepelnou emisí. Povrch

katody je pokryt vrstvou BaO, čímž se snižuje výstupní práce elektronu z katody. Elektrony vystupují malým otvorem v řídící elektrodě W (Wehneltův válec). Potom

jsou soustavou anod a urychlovány a soustřeďovány do elektronového paprsku, který prochází dvěma páry vychylovacích destiček a a dopadá na stínítko

S pokryté vrstvou ZnS. G označuje grafitový povlak obrazovky. V místě dopadu elektronu na stínítko vzniká svítící stopa. Typy obrazovek:

1. obrazovky s elektrostatickým vychylováním - používají se v osciloskopech, které umožňují sledovat časový průběh proměnných elektrických napětí. Na

destičky , které vychylují paprsek ve svislém směru, je přivedeno sledované harmonické napětí s periodou . Na destičky , které vychylují paprsek

ve směru vodorovném, je přivedeno pilové napětí časové základny , jehož perioda je přirozeným násobkem periody . Stopa elektronového paprsku

pak koná složený pohyb, který je hledaným časovým diagramem napětí . Při zpětném chodu paprsku po obrazovce je jas stopy potlačen řídící elektronkou.

2. televizní obrazovky - katodový paprsek se vychyluje pomocí magnetického pole soustavy cívek

Barevná televize

Televizní obraz je přenášen složeným signálem; ten informuje o barvě a o jasu obrazu. Kromě toho se odděleným audiosignálem přenáší zvuk. Časovací signály

zajišťují, aby obrazové prvky byly seřazeny ve správném pořadí. Tento komplexní přenosový signál je zachycen anténou (viz obr. 211) a vyslán do detektorového

obvodu, ve kterém je naladěna žádaná stanice.

Pak se signál rozdělí: zvukové signály se vyšlou do reproduktoru, zatímco časovací signály vstupují do synchronizačního obvodu, kde se dále rozdělí do dvou složek

a jsou vedeny do elektromagnetů v krčku obrazovky. Jedna složka definuje horizontální polohu paprsku, druhá polohu vertikální. Barvonosné signály a jasové signály

vstupují do dekodéru, aby byly vyslány do elektronových děl v základně obrazovky. Každé dělo vysílá oddělený svazek elektronů, který nese informaci o jedné ze

základních barev RGB modelu.

Tedy každý ze svazků elektronů nese informaci o jedné z barev červená, zelená nebo modrá.

Z těchto barev je možno složit prakticky jakoukoliv barvu na stínítku obrazovky. Jedná se o aditivní mísení barev (součtové mísení barev), při němž smícháním všech

tří barev RGB modelu vznikne barva bílá. Jas a barva jsou v rychlém časovém sledu regulovány ovládáním výkonu jednotlivých katod emitujících elektrony.

Přesněji bychom mluvit o televizním RGB modelu, který se od běžně používaných základních barev nepatrně liší.

Obr. 211

Elektronové dělo je tvořeno záporně nabitým vláknem (tj. je to katoda), které se zahřívá, následkem čehož se uvolňují z jeho povrchu elektrony. Ty jsou

urychlovány směrem ke stínítku kladně nabitými deskami.

Vzhledem k tomu, že tyto typy televizních obrazovek pracují podobně jako katodová trubice, říká se jim obrazovky typu CRT - Cathode Ray Tube.

Když elektronový svazek opustí elektronové dělo, je jeho pohyb regulován pomocí elektromagnetů v krčku evakuované obrazovky (viz obr. 212). Elektromagnety

jsou řízeny časovými impulsy v televizním signálu. Paprsek je vychylován zleva doprava i shora dolů, přičemž vykresluje vodorovné řádky na stínítku obrazovky. Každý

ze 625 řádků se vykreslí na stínítku obrazovky asi za . Během této doby se intenzita elektronového svazku mění v závislosti na intenzitě, kterou má mít výsledný

bod (pixel) obrazu na stínítku.

Obrazovky používané v USA a Japonsku mají pouze 525 řádků.

Obr. 212

Počet snímků (frame) na obrazovce je 25 za sekundu. To je frekvence příliš nízká na to, aby oko vnímalo plynulý obraz. Proto se zdá, že obraz bliká. Omezení

vjemu blikání obrazu můžeme dosáhnout dvěma způsoby:

1. Zvýšíme počet snímků za sekundu (tzv. snímkovací frekvence) na dvojnásobek - tímto způsobem se ale zvětší i na dvojnásobek řádková frekvence

(frekvence vykreslování řádků) i šířka přenosového pásma. To ale není žádoucí, neboť bychom museli přenášet více dat. A navíc by se zvětšením

přenosového pásma snížil i počet dostupných vysílacích frekvencí.

2. Použijeme tzv. prokládané řádkování, což znamená rozdělení každého snímku na dva půlsnímky a to tak, že první půlsnímek obsahuje informace pouze

o lichých řádcích rastru obrazovky a druhý půlsnímek (téhož snímku) informace pouze o sudých řádcích rastru obrazovky. Rozlišovací schopnost zůstává

stejná a to 25 snímků za sekundu, ale oko vnímá blikání obrazu s frekvencí 50 Hz. Řádková frekvence i šířka přenosového pásma zůstávají stejné jako

v případě, že bychom použili neprokládané řádkování s frekvencí 25 Hz. Proto se používá v praxi tento způsob.

Použitím prokládaného řádkování tedy docílíme toho, že obraz na obrazovce nebude prakticky blikat (frekvence 50 Hz je už tak vysoká, že jí lidské oko

nezaznamená) a přitom nezvýšíme datový tok pro přenos informací o obrazu.

To znamená, že se nejdříve vykreslí všechny liché řádky a pak všechny sudé. Tím se zmenší doba, po kterou je obraz zobrazený na stínítku obrazovky, a pro

oko je střídání jednotlivých obrazů plynulejší.

Obrovské množství zakódované informace nutné pro přenos televizního signálu klade určité meze na jeho rozlišení, tj. na podrobnosti, jaké může ještě obraz

zachytit. Každý televizní kanál potřebuje šířku přenosového pásma 6,5 MHz, což je přibližně 600krát víc, než potřebuje kanál rozhlasový.

V praxi se používá většinou šířka přenosového pásma buď 5 MHz nebo 6 MHz.

Chceme-li zvýšit rozlišovací schopnost televizoru (tedy přenést informace o více bodech na stínítku obrazovky), je nutné frekvenční pásmo rozšířit. Frekvence, které

jsou v té které oblasti k dispozici, jsou ale omezeny, což znamená, že bychom museli omezit počet sledovaných (vysílaných) kanálů.

Nástup kabelové televize a pokrok v technice optických vláken ale umožňuje sledování mnohem většího počtu kanálů, aniž by tyto kanály spolu interferovaly, a tak

je možné uvažovat o zvýšení rozlišení obrazovky.

Postupem vývoje se rozšířily tři základní konstrukce barevných obrazovek:

1. typ delta;

2. typ in line;

3. typ trinitron.

Tyto tři typy barevných televizních obrazovek se liší uspořádáním tří elektronových trysek, rozložením barevných luminoforů na stínítku obrazovky a konstrukcí stínící

masky. Schématicky jsou tyto odlišnosti naznačeny na obr. 213.

Obr. 213