¿Qué es la frecuencia de corte? Cálculo de la frecuencia de corte. Dependencia de los parámetros del transistor de la frecuencia.

Una corriente eléctrica que pasa a través de soluciones de electrolitos favorece la descomposición de sustancias y permite obtener materiales químicamente puros. este proceso recibió el nombre de electrólisis, que encontró amplia aplicación V producción industrial. Las transformaciones físicas de los conductores en un líquido se explican mediante la ley de electrólisis de Faraday, según la cual el ánodo funciona como electrodo positivo y el cátodo como electrodo negativo.

Con la ayuda de este fenómeno, no solo se limpian los metales de impurezas, sino también la aplicación de finos recubrimientos que protegen y decoran las superficies metálicas.

La esencia del proceso de electrólisis.

La electrólisis se refiere a los procesos de reacciones redox que ocurren bajo la influencia forzada de una corriente eléctrica. Para ello se utiliza un recipiente especial con una solución electrolítica, en el que se sumergen clavijas metálicas conectadas a una fuente de alimentación externa.

Electrodo conectado al polo. valor negativo La fuente de corriente se considera el cátodo. esta en este lugar Las partículas de electrolito se reducen. El otro electrodo está conectado al polo positivo y se llama ánodo. En esta zona se oxida la sustancia del electrodo o las partículas de electrolito. Las reacciones químicas en esta zona se producen de forma diferente, dependiendo del material del ánodo y de la composición de la solución electrolítica. Por lo tanto, como dice la química, los electrodos en relación con el electrolito pueden ser inertes o solubles.

La categoría inerte incluye ánodos hechos de material que no se oxida durante la electrólisis. Los ejemplos incluyen electrodos de grafito o platino. Casi todos los demás tipos de ánodos metálicos que están sujetos a oxidación durante una reacción electrolítica son solubles.

Los electrolitos se utilizan con mayor frecuencia. varios tipos soluciones o fundidos, dentro de los cuales hay un movimiento caótico de partículas cargadas: iones. Cuando se exponen a una corriente eléctrica, comienzan a moverse en una dirección determinada: cationes, hacia el cátodo, aniones, hacia el ánodo. Cuando llegan a los electrodos, pierden sus cargas y se depositan en ellos.

De este modo se produce en el cátodo y en el ánodo la acumulación de los llamados productos totales, compuestos de sustancias eléctricamente neutras. Todo el proceso de electrólisis se lleva a cabo bajo voltaje aplicado a los electrodos. Este voltaje U el-za es un ejemplo típico necesario para garantizar el curso normal de las reacciones electrolíticas. En términos puramente teóricos, esta tensión adopta la forma: U el-za = E a - E k, donde E a y E k son los potenciales de las reacciones químicas que tienen lugar en el ánodo y en el cátodo.

Existe una relación definida entre la cantidad de electricidad que fluye a través de la solución y la cantidad de sustancia liberada durante la reacción electrolítica. Este fenómeno fue descrito por el físico inglés Faraday y formalizado en forma de dos leyes.

La primera ley de Faraday

Esta ley fue derivada por científicos de forma experimental. Determina la relación proporcional entre la masa de la sustancia formada en el electrodo y la carga que pasa a través de la solución electrolítica.

Esta proporción se refleja claramente en la fórmula m=k x Q=k x I x t, donde k es el coeficiente de proporcionalidad o equivalente electroquímico, Q es la carga que pasa por el electrolito, t es el tiempo de paso de la carga, m es la masa de la sustancia. formado en el electrodo como resultado de las reacciones.

La primera ley de Faraday se utiliza para determinar la cantidad de productos primarios que se forman durante la electrólisis en los electrodos. La masa de esta sustancia es la masa total de todos los iones que golpean el electrodo. Esto se confirma con la fórmula m=m0 x N = m0 x Qq0 = m0q0 x I x t, en la que m0 y q0 son la masa y la carga de un solo ion, respectivamente. N=Qq0: determina el número de iones que golpean el electrodo durante el paso de la carga Q a través de la solución electrolítica.

En consecuencia, el valor del equivalente electroquímico k es la relación entre la masa del ion m0 de la sustancia utilizada y la carga q0 de este ion. Se sabe que la magnitud de la carga de un ion es el producto de la valencia n de esta sustancia y la carga elemental e, es decir, q0 = n x e. En base a esto, el equivalente electroquímico de k se verá así: k = m0q0 = m0 x NAn x e x NA = 1F x μn. En esta fórmula, NA es la constante de Avogadro, μ es la masa molar de una sustancia determinada. F = e x NA es la constante de Faraday y es 96485 C/mol.

El valor numérico de este valor es igual a la carga que se debe pasar a través de la solución electrolítica para que se libere en el electrodo 1 mol de una sustancia con la misma valencia. La ley de Faraday considerada para la electrólisis tomará la forma de otra fórmula: m = 1F x μn x I x t.

Segunda ley de Faraday

La siguiente ley de Faraday describe cómo el equivalente electroquímico dependerá de masa atómica sustancia y su valencia. Este coeficiente será directamente proporcional al peso atómico e inversamente proporcional a la valencia de la sustancia. Con la introducción de este valor, la segunda ley de Faraday se formula como la proporción de los equivalentes electroquímicos de una sustancia y los equivalentes químicos intrínsecos de estas sustancias.

Si los valores de los equivalentes electroquímicos se toman como k1, k2, k3…kn, y los equivalentes químicos se toman como x1, x2, x3…xn, entonces k1/x1 = k2/x2 = k3/x3…kn/xn. Esta proporción es valor constante, lo mismo para cualquier sustancia utilizada: c = k/x y es 0,01036 mEq/k. Esta es exactamente la cantidad de sustancia en equivalentes de miligramos que se libera en los electrodos durante el período de paso por el electrolito. carga electrica, igual a un culombio.

Por tanto, la segunda ley de Faraday se puede representar como una fórmula: k = cx. Si esta expresión se usa junto con la primera ley de Faraday, el resultado será siguiente expresión: m = kq = cxq = cxlt. Aquí la categoría c representa una constante universal, en la cantidad de 0,00001036 g-eq/k. Tal formulación permite comprender que las mismas corrientes pasaron a través mismo intervalo tiempo en dos electrolitos diferentes, se aislarán de ellos sustancias respetando el equivalente químico considerado.

Dado que x = A/n, la masa de la sustancia liberada se verá como m = cA/nlt, en proporción directa al peso atómico e inversamente proporcional a la valencia.

La aparición de la fuerza electromotriz de inducción fue el descubrimiento más importante en el campo de la física. Fue fundamental para el desarrollo. aplicación técnica este fenómeno.

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Michael Faraday

Historia

En los años 20 del siglo XIX, el danés Oersted observó la desviación de una aguja magnética cuando se colocaba junto a un conductor por el que circulaba una corriente eléctrica.

Michael Faraday quería explorar este fenómeno más de cerca. Con gran perseverancia persiguió su objetivo de convertir el magnetismo en electricidad.

Los primeros experimentos de Faraday le trajeron una serie de fracasos, ya que inicialmente creyó que importantes CORRIENTE CONTINUA. en un circuito puede generar corriente en un circuito cercano, siempre que no haya comunicación eléctrica entre ellos.

El investigador modificó los experimentos y en 1831 se vieron coronados por el éxito. Los experimentos de Faraday comenzaron con el bobinado. alambre de cobre alrededor del tubo de papel y conectando sus extremos al galvanómetro. Luego, el científico colocó un imán dentro de la bobina y notó que la aguja del galvanómetro daba una desviación instantánea, lo que indicaba que se había inducido una corriente en la bobina. Después de retirar el imán, hubo una desviación de la flecha en dirección opuesta. Pronto, durante otros experimentos, notó que en el momento de aplicar y quitar voltaje de una bobina, aparecía una corriente en una bobina cercana. Ambas bobinas tenían un circuito magnético común.

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Los experimentos de Faraday.

Los numerosos experimentos de Faraday con otras bobinas e imanes continuaron y el investigador descubrió que la fuerza de la corriente inducida depende de:

• número de vueltas de la bobina;
• fuerza del imán;
• la velocidad a la que el imán se sumergió en la bobina.

El término inducción electromagnética (EMF) se refiere al fenómeno en el que se genera una fem en un conductor mediante un campo magnético externo alterno.

Formulación de la ley de la inducción electromagnética.

Formulación verbal de la ley. inducción electromagnética: inducido fuerza electromotriz en cualquier circuito cerrado es igual a la tasa de cambio temporal negativa del flujo magnético encerrado en el circuito.

Esta definición se expresa matemáticamente mediante la fórmula:

mi = - ΔΦ/ Δt,

donde Ф = B x S, con densidad de flujo magnético B y área S, que es atravesada perpendicularmente por el flujo magnético.

Información adicional. hay dos diferentes enfoques a la inducción. El primero explica la inducción mediante la fuerza de Lorentz y su acción sobre una carga eléctrica en movimiento. Sin embargo, en determinadas situaciones, como el blindaje magnético o la inducción unipolar, pueden surgir problemas para comprender el proceso físico. La segunda teoría utiliza los métodos de la teoría de campos y explica el proceso de inducción utilizando flujos magnéticos variables y las densidades asociadas de estos flujos.

El significado físico de la ley de la inducción electromagnética se formula en tres disposiciones:

1. Un cambio en el MF externo en una bobina de alambre induce un voltaje en ella. Cuando el circuito eléctrico conductor se cierra, la corriente inducida comienza a circular a través del conductor;
2. La magnitud del voltaje inducido corresponde a la tasa de cambio del flujo magnético asociado con la bobina;
3. La dirección de la fem inducida es siempre opuesta a la causa que la provocó.

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Ley de Inducción Electromagnética

¡Importante! La fórmula de la ley de la inducción electromagnética se aplica en caso general. No existe ninguna forma conocida de inducción que no pueda explicarse por un cambio en el flujo magnético.

Fem de inducción en un conductor.

Para calcular el voltaje de inducción en un conductor que se mueve en MF se utiliza otra fórmula:

E = - B x l x v x sen α, donde:

• B – inducción;
• l es la longitud del conductor;
• v – velocidad de su movimiento;
• α es el ángulo formado por la dirección del movimiento y la dirección del vector de inducción magnética.

¡Importante! Una forma de determinar hacia dónde se dirige. corriente inducida, creado en el conductor: colocando la mano derecha con la palma perpendicular a la entrada líneas eléctricas MP y, con el pulgar retraído indicando la dirección del movimiento del conductor, reconocemos la dirección de la corriente en él por los cuatro dedos estirados.

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regla de la mano derecha

Leyes de la electrólisis

Los experimentos históricos de Faraday en 1833 también estuvieron relacionados con la electrólisis. Tomó un tubo de ensayo con dos electrodos de platino sumergidos en cloruro de estaño disuelto y calentado con una lámpara de alcohol. Se liberó cloro en el electrodo positivo y estaño en el electrodo negativo. Luego pesó la lata liberada.

En otros experimentos, el investigador conectó en serie recipientes con diferentes electrolitos y midió la cantidad de sustancia depositada.

A partir de estos experimentos, se formulan dos leyes de la electrólisis:

1. El primero de ellos: la masa de la sustancia liberada en el electrodo es directamente proporcional a la cantidad de electricidad que pasa a través del electrolito. Matemáticamente se escribe así:

m = K x q, donde K es una constante de proporcionalidad, llamada equivalente electroquímico.

Formule su definición como la masa de una sustancia en g liberada en el electrodo cuando pasa una corriente de 1 A en 1 s o cuando pasa 1 C de electricidad;

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Primera ley de la electrólisis

1. La Segunda Ley de Faraday establece que si la misma cantidad de electricidad pasa a través de diferentes electrolitos, entonces la cantidad de sustancias liberadas en los electrodos correspondientes es directamente proporcional a su equivalente químico (el equivalente químico de un metal se obtiene dividiendo su masa molar por su valencia - M/z).

Para la segunda ley de la electrólisis se utiliza la siguiente notación:

AquíF – Constante de Faraday, que está determinada por la carga de 1 mol de electrones:

F = Na (número de Avogadro) x e (carga eléctrica elemental) = 96485 C/mol.

Escribe otra expresión para la segunda ley de Faraday:

m1/m2 = K1/K2.

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Segunda ley de la electrólisis

Por ejemplo, si toma dos recipientes electrolíticos conectados en serie que contienen una solución de AgNO 3 y CuSO 4 y pasa la misma cantidad de electricidad a través de ellos, entonces la relación entre la masa de cobre depositado en el cátodo de un recipiente y la masa de La plata depositada sobre el cátodo del otro recipiente será igual a la proporción de sus equivalentes químicos. Para el cobre es Califica este artículo:

A). Primera ley de la electrólisis

Masa de sustancia (metro), liberado sobre el electrodo, es directamente proporcional a la carga eléctrica (q) pasó a través del electrolito.

m = kq o m = kIt, (1.52)

(desde q = It, donde I es la corriente que fluye a través de la solución electrolítica durante el tiempo t, donde k es el equivalente electroquímico de la sustancia.

El equivalente electroquímico de una sustancia es numéricamente igual a la masa de la sustancia que se deposita sobre el electrodo cuando la corriente pasa a través del electrolito de una cantidad unitaria de electricidad (unidad de carga).

b). Segunda ley de la electrólisis

El equivalente electroquímico de una sustancia es directamente proporcional a la relación de masa molar. a valencianorte.

donde F = 9,64810 4 C/mol es el número de Faraday.

V). Ley unificada de electrólisis de Faraday

Se pueden combinar la primera y la segunda ley de la electrólisis. Entonces obtenemos

(1.54)

De la ley unificada de electrólisis de Faraday se deduce que El número de Faraday es numéricamente igual a la carga eléctrica que pasa a través del electrolito cuando se libera sobre el electrodo una masa (kg) de sustancia igual a la relación / norte.

1.15. El concepto de plasma.

La gran mayoría de la materia de nuestro Universo se encuentra en estado de plasma.

El plasma es un gas ionizado con una alta concentración de partículas cargadas que tienen la propiedad de cuasineutralidad.

La cuasineutralidad del plasma radica en el hecho de que en un volumen de plasma suficientemente grande el número de cargas positivas y negativas es casi el mismo. La relación entre el número de átomos ionizados y su número total en el mismo volumen se llama grado de ionización del plasma . Si el grado de ionización es 10  3, entonces la sustancia se clasifica como plasma. La materia de las galaxias, estrellas, el medio interestelar, etc., en la que se concentra casi toda la masa del Universo observable, se encuentra en estado de plasma. En las estrellas, las moléculas se ionizan mediante colisiones térmicas. La temperatura dentro de nuestro Sol, una estrella típica, es 1,510 7 K, lo que corresponde a la energía cinética kT = 2,7210  16 J y excede con creces la energía necesaria para ionizar cualquier molécula (átomo), ya que la energía de ionización de una molécula 10  19 10  18 J. El gas interestelar se convierte en plasma debido a su alta rarefacción; su densidad es 10  20 10  26 kg/m 3 . El plasma también existe en las inmediaciones de la superficie terrestre. Por tanto, la ionosfera, la capa exterior de la atmósfera terrestre, está formada por gas altamente ionizado. Detrás de la ionosfera se encuentra la magnetosfera, en la que se encuentran los cinturones de radiación de la Tierra, internos y externos, llenos de partículas cargadas, principalmente electrones y protones de diversas energías. La principal diferencia cualitativa entre un gas débilmente ionizado y un plasma se manifiesta en el comportamiento de las violaciones locales de la neutralidad del medio, que surgen debido a las fluctuaciones térmicas. En un gas, tales perturbaciones, después de su aparición, se desarrollan de forma aleatoria y pueden llenar todo el volumen. En el plasma, las violaciones de la neutralidad por fluctuaciones siempre están estrictamente localizadas en un volumen bastante pequeño. Dado que la masa de iones es significativamente mas masa electrones, entonces los electrones son más móviles en el plasma. Supongamos que la región de violación de la neutralidad eléctrica se forma en una determinada capa de pequeño espesor x (figura 1.10, a).

Cuando se desplaza, por ejemplo, hacia la derecha con respecto a la misma capa de iones a una distancia   х (figura 1.10 b), se forma una capa (como un condensador plano) con una densidad de carga superficial  = q e n , donde q e es la carga del electrón; n es la concentración de electrones. Aparece una capa doblemente cargada. Surge un campo eléctrico de intensidad entre las placas de dicho condensador de "plasma".

(1.55)

Si el área de las placas es S, entonces hay nxS electrones dentro del capacitor. Serán afectados por la fuerza de Coulomb.

. (1.56)

La masa de todos los electrones es m = m e nxS, y la aceleración de su movimiento es

.

Según la segunda ley Newton

o
(1.57)

donde m e nxS =
, (1.58)

. (1.59)

Las oscilaciones descritas por la fórmula (1.59) se denominan plasma.  pl - frecuencia plasmática.

Conclusión: Cuando se viola la electroneutralidad en cualquier región del plasma, surgen en él oscilaciones armónicas de la densidad de carga con una frecuencia  pl. Pero las oscilaciones del plasma no tienen carácter ondulatorio, es decir, la violación de la neutralidad eléctrica no se propaga por todo el plasma.

La vida útil característica de una violación de la electroneutralidad del plasma en condiciones de laboratorio es de 10 - 13 s  t pl  10 - 3 s. Tener en cuenta las colisiones de iones y electrones (entre sí y con moléculas neutras) conduce a una amortiguación de las oscilaciones del plasma. Tamaño característico Las regiones en las que se pueden observar violaciones de la neutralidad eléctrica por fluctuaciones están determinadas por el radio de Debye (tamaño).

, (1.60)

que se puede encontrar a partir de la condición de igualdad de la energía de las oscilaciones del plasma de un electrón y la energía térmica por un grado de libertad del electrón, es decir, kT. El tamaño de Debye para los tipos de plasma más comunes es varios órdenes de magnitud mayor que el tamaño de los átomos o moléculas.

En consecuencia, los efectos cuánticos no son importantes en el plasma y su comportamiento está descrito por las leyes de la física clásica.

Si se introduce en el plasma una prueba, por ejemplo, una carga positiva +q 0, los electrones vecinos serán atraídos hacia él y, por el contrario, los iones positivos serán repelidos. Como resultado, aparece una nube esféricamente simétrica con carga negativa alrededor de la carga positiva. Protegerá la acción de la carga q 0 sobre el plasma ubicado a su alrededor, que surge como resultado de la superposición del campo de la carga positiva q 0 y el campo de la nube cargada negativamente que lo rodea. Por lo tanto, a cierta distancia de la carga q 0, el campo formado por tal superposición será extremadamente pequeño. Esta distancia está determinada por el radio de detección de Debye. El plasma también está protegido por un campo eléctrico externo a una distancia del orden del tamaño de Debye.

Los resultados obtenidos son válidos para plasma en estado de equilibrio termodinámico. En la práctica, esta condición no se cumple. Por lo tanto, las energías cinéticas promedio para electrones e iones resultan ser diferentes, es decir, la temperatura del electrón Te y la temperatura del ion Ti no son iguales, y Te > Ti. Para plasma en equilibrio T e = T i .<10 5 K плазму называют Al valor de la temperatura del ion T i baja temperatura , y en Ti >10 6 K - temperatura alta. Interactúa en plasma gran número

. (1.61)

partículas. En este sentido se diferencia marcadamente de los gases. La energía potencial promedio de interacción de las partículas de plasma es pequeña en comparación con su energía cinética. Por tanto, el movimiento térmico de las partículas en el plasma y en el gas ideal es muy similar. Las propiedades termodinámicas del plasma se describen con bastante precisión mediante la ecuación de estado de un gas ideal. Por tanto, el plasma es un gas ideal que consta de dos partículas con cargas opuestas: iones y electrones. Las oscilaciones del plasma son el movimiento ordenado de cargas como el sonido en la materia. Este movimiento complementa el movimiento térmico, en el que cada partícula de plasma cargada se mueve a lo largo de una línea que se retuerce suavemente, ya que el impulso de cada una de ellas cambia muy lentamente con el tiempo. La presencia de partículas cargadas en el plasma explica su buena conductividad eléctrica. El tiempo de relajación de los electrones del plasma  se define como el tiempo medio durante el cual el movimiento de un electrón pierde su orden, es decir

(1.62)

Por tanto, la conductividad eléctrica específica del plasma.

La conductividad eléctrica específica de un plasma depende débilmente de la concentración de portadores, ya que las colisiones de portadores prácticamente no desempeñan ningún papel en ella. La dependencia de la temperatura de la conductividad eléctrica del plasma aumenta en proporción a T 3/2.

En consecuencia, un plasma suficientemente calentado es un buen conductor.

Por ejemplo, a temperaturas T  10 8 K, alcanzadas en instalaciones para reacciones termonucleares, la conductividad eléctrica específica del plasma tiene valores del orden de   10 9 1/(Ohmm), que es un orden de magnitud superior a la conductividad de los mejores conductores metálicos.

Cuando el plasma se introduce en un campo magnético, los electrones y los iones comienzan a moverse a lo largo de una línea helicoidal, girando alrededor de las líneas del campo magnético con la frecuencia del electrón.

(1.64)

y para el ion

, (1.65)

donde B es la inducción del campo magnético.

La capacidad de un campo magnético para impedir la propagación del plasma se utiliza en instalaciones para llevar a cabo la fusión termonuclear en plasma de hidrógeno a alta temperatura a T  10 8 K.

Como ya se sabe, durante la electrólisis se libera una sustancia sobre los electrodos. Intentemos averiguar de qué dependerá la masa de esta sustancia. La masa de la sustancia liberada m será igual al producto de la masa de un ion m0i por el número de iones Ni que alcanzaron el electrodo en un período de tiempo igual a ∆t: m = m0i*Ni. La masa del ion m0i se calculará mediante la siguiente fórmula:

• m0i = M/Na,

donde M - masa molar sustancias, y Na es la constante de Avogadro.

El número de iones que llegarán al electrodo se calcula mediante la siguiente fórmula:

• Ni = ∆q/q0i,

donde ∆q = I*∆t es la carga que pasa por el electrolito en un tiempo igual a ∆t, q0i es la carga del ion.

Para determinar la carga de un ion se utiliza la siguiente fórmula:

• q0i = n*e,

donde n es valencia, e es carga elemental.

Juntando todas las fórmulas presentadas, obtenemos una fórmula para calcular la masa de la sustancia liberada sobre el electrodo:

• m = (M*I*∆t)/(n*e*Na).

Ahora denotamos por k el coeficiente de proporcionalidad entre la masa de la sustancia y la carga ∆q.

• k = M/(e*n*Na).

Este coeficiente k dependerá de la naturaleza de la sustancia. Entonces la fórmula para la masa de una sustancia se puede reescribir de la siguiente manera:

• metro = k*I*∆t.

Segunda ley de Faraday

La masa de la sustancia liberada sobre el electrodo durante un tiempo igual a ∆t durante el paso de una corriente eléctrica es proporcional a la intensidad de la corriente y al tiempo. El coeficiente k se denomina equivalente electroquímico de una sustancia determinada. La unidad de medida es kg/Cl. Veamos el significado físico del equivalente electroquímico. Porque:

• M/Na = m0i,
• e*n = qi,

entonces la fórmula del equivalente electroquímico se puede reescribir de la siguiente manera:

• k = m0i/q0i.

Por tanto, k es la relación entre la masa de un ion y la carga de ese ion.

Para verificar la validez de la ley de Faraday, se puede realizar un experimento. La configuración del laboratorio necesaria para ello se muestra en la siguiente figura.

Los tres contenedores están llenos de la misma solución electrolítica. Varios fluirán a través de ellos. corrientes electricas y I1 = I2+I3. Después de conectar la instalación al circuito esperar un rato. Luego lo apagamos y medimos las masas de sustancias liberadas sobre los electrodos en cada uno de los vasos m1, m2, m3. Se podrá comprobar que las masas de sustancias serán proporcionales a las fuerzas actuales que atravesaron el recipiente correspondiente.

De la fórmula

• m = (M*I*∆t)/(n*e*Na)

podemos expresar el valor de la carga del electrón

• e = (M*I*∆t)/(n*m*Na).