Номер 2.1, страница 37 - гдз по физике 11 класс сборник задач Заболотский, Комиссаров

Основы электродинамики. Глава 2. Электрический ток в различных средах. Электрический ток в электролитах - номер 2.1, страница 37.

Условие.

2.1. На установке (рис. 2.1, а) получена вольт-амперная характеристика для раствора электролита (рис. 2.1, б).

а) На каких участках можно применять закон Ома?

б) Почему на участке ОА сила тока не зависит от приложенного напряжения?

Рис. 2.1

Решение.

a)

Закон Ома устанавливает линейную зависимость силы тока от напряжения. В простейшей форме для участка цепи без ЭДС он выглядит так: $I = U/R$, где $\text{R}$ – постоянное сопротивление. Вольт-амперная характеристика (ВАХ) для такого участка является прямой линией, проходящей через начало координат.

Рассмотрим участки на представленной ВАХ:

1. Участок OA: На этом участке напряжение $\text{U}$ растет от нуля до некоторого значения $U_A$, а сила тока $\text{I}$ остается равной нулю. Зависимость не является линейной, закон Ома в его простейшей форме здесь не выполняется. Сопротивление формально бесконечно ($R = U/I \rightarrow \infty$).

2. Участок AB: На этом участке зависимость силы тока от напряжения является линейной (график – прямая линия). Однако эта прямая не проходит через начало координат. Это означает, что в цепи присутствует электродвижущая сила (ЭДС). В данном случае это противо-ЭДС поляризации $\mathcal{E}_п$, которая направлена против внешнего напряжения. Закон Ома для такого участка цепи (раствора электролита) записывается в обобщенной форме: $I = \frac{U - \mathcal{E}_п}{R}$, где $\text{R}$ – сопротивление электролита. Эта формула справедлива при $U > \mathcal{E}_п$. Поскольку на участке AB наблюдается именно такая линейная зависимость, можно утверждать, что на этом участке применим закон Ома для участка цепи с противо-ЭДС.

Ответ: Закон Ома (в обобщенной форме для участка цепи с противо-ЭДС) можно применять на участке AB.

б)

На участке OA сила тока равна нулю и не меняется при увеличении приложенного напряжения от 0 до $U_A$. Это явление объясняется электролитической поляризацией.

При пропускании тока через электролит на электродах выделяются продукты электролиза. Эти вещества образуют на поверхности электродов гальваническую пару, которая создает собственную ЭДС, называемую ЭДС поляризации или противо-ЭДС ($\mathcal{E}_п$). Эта противо-ЭДС направлена навстречу внешнему приложенному напряжению $\text{U}$.

В результате, результирующее напряжение, вызывающее ток в электролите, равно разности внешнего напряжения и противо-ЭДС: $U_{рез} = U - \mathcal{E}_п$. Согласно закону Ома для данной цепи, сила тока определяется как $I = \frac{U - \mathcal{E}_п}{R}$.

Ток в цепи начнет течь только тогда, когда внешнее напряжение $\text{U}$ превысит противо-ЭДС $\mathcal{E}_п$. На участке OA приложенное напряжение меньше или равно ЭДС поляризации ($U \le \mathcal{E}_п$). Поэтому результирующее напряжение равно нулю или отрицательно, и макроскопический ток через электролит не течет ($I=0$). Напряжение $U_A$ на графике соответствует максимальному значению ЭДС поляризации, которое необходимо преодолеть, чтобы начался электролиз и потек ток.

Ответ: На участке OA приложенное напряжение меньше или равно противо-ЭДС поляризации, возникающей на электродах. Эта противо-ЭДС полностью компенсирует внешнее напряжение, поэтому суммарное напряжение, действующее на носители заряда в электролите, равно нулю, и ток не течет.