Електрична струја у течностима и гасовима  - обрада

Шта је електрична струја? По дефиницији: електрична струја је усмерено кретање наелектрисаних честица.

Да би материјал проводио електричну струју у њему морају постојати слободни носиоци наелектрисања. На слици видимо како изгледа унутрашњост металног проводника. Главна одлика метала је да имају у себи слободне електроне који под одређеним условима могу да се усмерено крећу односно да струје кроз проводник и чине електричну струју.

Слободни носиоци наелектрисања могу бити електрони (метали), протони, позитивни и негативни јони.

Да би се појавила електрична струја у проводнику на његовим крајевима мора постојати разлика потенцијала (разлика у наелектрисању која генерише електрично поље).  

Разлика потенцијала остварује се помоћу извора електричне струје. На слици имамо приказано једно електрично коло. Када прекидач затвори електрично коло, успоставља се електрична поље у проводнику које путем дејства кулонове силе покреће електроне кроз проводник и тече електрична струја. Чим се коло прекине, електрично поље нестаје и престаје електрична струја.

У затвореном колу електрична струја тече кроз проводник све док се потенцијали на крајевима проводника не изједначе.

Пошто смо поновили основе електричне струје, сада ћемо изучавати електричну струју у течностима.

Да би течности проводиле електричну струју у њима морају постојати слободни носиоци наелектрисања.

Чисте течности су релативно слаби проводници електричне струје (осим метала у течном стању).

Да би течности проводиле струју њима се додају соли, базе и киселине. Овакве течности називамо растворима.

Шта се дешава када додамо соли или  базе и киселине у течности? Додавањем соли (рецимо NaCl) у воду, со се раствара на 〖Cl〗^- јоне и 〖Na〗^+јоне који су окружени молекулима воде. На анимацији видимо шта се дешава. Молекули воде откидају атоме натријума и хлора из кристалне решетке али тако да имају вишак један електрон у случају натријума односно електрон мање у случају хлора. Ови јони остају окружени молекулима воде. 

Jони, настали растварањем соли у води, представљају слободне носиоце наелектрисања у води. Слично је и са другим растворима база и киселина. 

Све што је потребно да би овај раствор проводио струју јесу електроде и извор електричне струје.

Процес раздвајања супстанције на јоне зовемо електролитичка дисоцијација, а течности које проводе струју називамо  електролитима.

Да видимо шта се дешава у течностима када кроз њих протиче електрична струја. Посматрајмо ову посуду са водом у којој је растворена со. Љубичастом бојом означени су позитивни јони натријума, а зеленом негативни јони хлора. Уронимо две електроде у течност и повежимо их са електричним изовором, зелена електрода повезана је на негативни пол извора и зове се анода а љубичаста електрода повезана је на позитивни пол извора и зове се катода. Између ове две електроде формира се електрично поље. Електрично поље доводи до дејства кулонове силе која привлачи или одбија јоне у зависности од њиховог наелектрисања. Катјони су позитивни па се крећу ка негативној електроди – аноди, а анјони су негативни па се крећу ка катоди. На електродама долази ди накупљања јона те се њихова концетрација у води временом смањује. Струја ће тећи кроз течност све док постоји разлика потенцијала на електродама и док има слободних јона у течности.

Главна разлика између електричне струје у металима и течностима је у томе што у течностима имамо кретање и позитивних (катјони) и негативних (анјони) носилаца наелектрисања, док код метала имамо само електроне као носиоце наелектрисања. 

При протицању струје кроз течности долази до издвајања састојака електролита на електродама. Овај процес назива се електролиза. Електролиза налази велику употребу у индустрији, за производњу алуминијума, литијума, натријума, калијума, хлора, калијум хлорида, затим за производњу водоника за аутомобиле који иду на ову врсту горива. И још много других примена.

Битно је напоменути да се човек састоји од приближно 80% воде која је у ствари електролит. Због ове чињенице струја је опасна за човека јер протиче кроз тело и доводи до великих негативних последица.

Сада ћемо да видимо како се успоставља електрична струја у гасовима. Иначе, при нормалним условима (нормалним вредностима температуре и притиска) гасови су лоши проводници, практично изолатори. Да би гасови проводили струју морају се додати јони у гас или извршити јонизација гаса. Слично као и код течности, не можемо имати електричну струју ако нема наелектрисаних честица.

Јонизација гаса може се извршити:

Загревањем гаса (загревањем гаса молекули се интензивније сударају, избијају једни другима електроне и на тај начин јонизују).

Зрачењем (проласком зрачења одређених енергија кроз гас долази до откидања електрона из молекула (атома) гаса и стварања слободних носилаца наелектрисања).

Да видимо на који начин практично успостављамо струју кроз гас? Прво гас мора бити суспендован, затворен у некој посуди, нека то буде цилиндар на слици. На крајеве цилиндра постављају се електроде које се вежу у електрично коло. Постављамо неки извор зрачења у близини гаса тако да извор зрачења доводи до откидања електрона из молекула (атома) гаса.

Стварају се слободни носиоци наелектрисања, електрони и позитивни јони гаса. Битно је напоменути да паралелно са процесом јонизације постоји и супротан процес рекомбинације у коме неки од насталих јона  покупе слободне електроне и више не могу да преносе струју. У присуству извора зрачења успоставља се равнотежа између ова два процеса тако да увек има одређени број јона и слободних електрона у гасу.

Затварањем струјног кола, (на пример са сијалицом на слици) успоставља се електричног поља у гасу (представљено црвеним стрелицама на слици) и долази до усмереног кретања електрона и позитивних јона под дејством кулонове силе – електричне струје, и сијалица светли.

Уклањањем извора зрачења, процес јонизације престаје а супротан процес рекомбинације доводи до неутралисања јона при чему се електрони враћају у електронски омотач јонизованих молекула гаса. Електрична струја слаби и на крају престаје, и сијалица се гаси.

Електрична варница је једна врста пражњења кроз гас при нормалном или повишеном притиску и изузетно јаком електричном пољу између електрода. Ово јако електрично поље доводи до краткотрајне и изузетно јаке струје електрона кроз гас.

Дуж линије кретања наелектрисања у гасу долази до побуђивања молекула ваздуха праћено емисијом светлости и звучним ефектима.

Атмосферско пражњење електричном варницом познато је као муња. Муња настаје услед изузетно велике разлике у наелектрисању облака и Земље, односно изузетно јаког електричног поља. При електричном пражњењу долази до изузетно јаких струја које изазивају јаке светлосне и звучне ефекте.

Ако имамо разређене гасове у њима може да се релативно лако успостави електрична струја праћена емисијом светлости. При притисцима гаса који су знатно мањи од атмосферског јавља се тињајуће пражњење приликом протицања електричне струје кроз гас.

Тињајуће пражњење праћено је уједначеном емисијом светлости. Данас су све више у употреби сијалице и цеви у којима долази до овакве емисије светлости. У почетку су због врло јарких боја коришћене за рекламе а данас се све више користе за осветљавање уопште због мале потрошње електричне енергије.

Интензитет и боја светлости зависи од врсте гаса и притиска. На слици видимо како различити гасови производе различите и врло пријатне боје.