FyzWeb  odpovědna

Zaujal vás nějaký fyzikální jev? Nevíte si rady s jeho vysvětlením? Neváhejte a napište nám svůj dotaz!


nalezeno 5 dotazů obsahujících »katody«

1) Anoda a katoda vodíkového článku24. 07. 2008

Dotaz: Jde mi o děje, které jsou podstatou vodíkového článku. Troskotám na tom, že nechápu, proč elektron uvolněný chemicky z atomu vodíku na příslušné eletrodě nevytvoří z elektrody zápornou elektrodu, nýbrž anodu (jak se všude píše). Přitom proton projde speciální membránou na druhou stranu a údajně tam vzniká katoda, přestože protony jsou kladné? Jak budou vypadat póly takové "baterky", kde je + a kde -, když to dostanu do rukou. (Boris Rychta)

Odpověď: Problém je jenom ve špatném pochopení terminologie. Označení anoda, resp. katoda, se nevztahuje k náboji elektrody, ale k druhu redoxního děje, který na ní probíhá. Anoda je elektroda, na níž probíhá oxidace. Katoda je elektroda, na níž probíhá redukce. Ale s jejím nábojem to může být všelijak:

Vezmeme-li případ katody, může redukce probíhat tak, že elektroda je od začátku záporně nabitá (je to záporný pól baterky) a silou "cpe" elektrony například vodíkovým kationtům v roztoku, které se pak redukují na atomy vodíku. Anebo může redukce probíhat tak, že na platinovém drátku se "sám od sebe" redukuje atom kyslíku na oxidový nebo hydroxidový anion, přičemž spotřebovává elektrony z původně neutrální elektrody (drátku) a tak ji nabíjí kladně (a vytváří z ní kladný pól baterky). V obou případech elektrodu nazýváme katoda (= elektroda s redukcí), ovšem v prvním případě je nabitá záporně, v druhém kladně. V prvním případě se jedná o elektrolýzu, děj, kdy připojením napětí (baterky) vyvoláme v roztoku chemickou reakci a, velmi hrubě řečeno, "náboje putují od elektrod do roztoku". V druhém případě se jedná o galvanický článek, při němž chemická reakce vyvolá napětí na původně nenabitých elektrodách (vzniká baterka) a, velmi hrubě řečeno, "náboje putují z roztoku na elektrody". Protože jde o děje protichůdné, opačného směru, i náboj katody (= elektrody s redukcí) bude v obou případech opačný.

Vrátíme-li se k otázce: skutečně, pokud ve vodíkovém článku odevzdává atom vodíku elektrony a tak se oxiduje, říkáme příslušné elektrodě bez ohledu na její náboj (který, jak správně usuzujete, je v tomto případě záporný) anoda.

Ovšem dokonce i etymologický slovník mylně tvrdí, že "katoda = záporná elektroda". Pokud už to chceme takto používat, musíme nutně dodat "při elektrolýze".

(Hanka Böhmová)   >>>  

2) Olověné akumulátory08. 09. 2007

Dotaz: Dobrý den, můj dotaz se týká olověných akumulátorů: Výsledkem chemického děje Pb+SO42- , který je na záporné elektrodě je sloučenina PbSO4 + 2e- . Aby se na kladné elektrodě vytvořilo PbSO4 +2H2O je zapotřebí oněch dvou elektronů ze záporné elektrody. Tyto elektrony se na kladnou elektrodu dostanou prostřednictvím vnějšího obvodu. Nabízí se mi otázka, proč tyto elektrony neprojdou skrz separátor a elektrolyt ke kladné elektrodě, když separátor i elektrolyt mají relativně velkou vodivost, což se vyžaduje, protože jejich vodivost tvoří část vnitřního odporu akumulátoru, který je mnohdy menší než připojená zátěž. (Martin Gabzdyl)

Odpověď: Na elektrodě, o níž je řeč, probíhá samovolná oxidace olova - jde tedy o anodu. Na rozhraní povrchu elektrody a elektrolytu se samovolně ustavuje redukčně-oxidační rovnováha a vzniká zde určitý potenciál daný tím, že povrch elektrody je oproti elektrolytu "zápornější" (rovnováha produkuje určitý přebytek elektronů na povrchu elektrody). Rozdíl potenciálů katody a anody pak vytváří spád - tedy napětí - umožňující pohyb elektronů od anody ke katodě. To se může dít jednak cestou přes vodič, jednak cestou přes elektrolyt. Z výše napsaného však vyplývá, že cesta elektronů z anody do roztoku je zablokována "protisměrným" potenciálem na rozhraní ("+" v elektrolytu, "-" na elektrodě), nestačí tedy uvažovat pouze vodivosti.

Elektrony přecházející z povrchu elektrody do roztoku by se musely navázat na nějakou částici - tedy redukce - což je ovšem právě opačný děj než děj samovolně probíhající. Lze to uskutečnit pouze působením většího vnějšího napětí opačného směru, než je napětí rovnovážné - tedy při nabíjení akumulátoru - kdy elektrony dostatečně urychlené v opačném směru mohou "prorazit" energetickou bariéru protisměrného potenciálu a podstoupit původně energeticky nevýhodný děj (redukci - přechod do roztoku).

Toto blokování toku elektronů protisměrným potenciálem se využívá například při ochraně velkých kovových předmětů proti korozi. Jednou z možností je vložení určitého malého napětí opačného směru, než je rovnovážné napětí "článku" vznikajícího při korozních reakcích. Ačkoli chemické podmínky pro vznik koroze dále trvají, jedná se nyní o děj energeticky nevýhodný, který neprobíhá, nebo je významně utlumen.

(Hana Böhmová)   >>>  

3) Rentgenové záření05. 08. 2002

Dotaz: Prosím Vás, je pravda, že za působení většího napětí na elektronovou trysku z televize nevyletují elektrony, ale rentgenové záření? Jak velké by muselo být napětí? (Dave)

Odpověď: Milý kolego, v běžných rentgenech vzniká rentgenové záření tím, že intenzivní paprsek urychlených elektronů dopadá na materiál (např. tepelně odolný kov s vysokým Z), brzdí se v něm a tím budí brzdné rentgenové záření (rentgenové záření odnáší jen část absorbované energie, proto musí materiál něco vydržet a ještě být chlazen). Vyrábí se na to speciální součástka, "rentgenka". Spektrum rentgenového záření závisí na energii dopadajících elektronů - elektrony letící obrazovkou s energií lehce nad 10 keV, které se zabrzdí v luminescenční vrstvě a případně skle, budí také rentgenové záření, ale tak měkké, že tloušťka např. hliníku potřebná na jeho zeslabení na polovinu ("polotloušťka") je něco kolem desetiny milimetru (takže tlusté sklo obrazovky ho prakticky pohltí), pro praktické účely, např. rentgenování zlomených kostí, je potřeba mít urychlovací napětí desítek kV, např. pro 100 keV je už buzené rentgenové záření tak pronikavé, že odpovídající polotloušťka hliníku je 1,6 cm.

Je to takto:
1) Napětí mezi rozežhavenou katodou obrazovky a okolím vytváří elektrické pole v okolí katody. Je-li toto pole dostatečně silné, vytrhne z ní elektron; část energie (tzv. výstupní práce) se přitom použila na "vytržení" elektronu z materiálu katody, zbytek si nese elektron s sebou jako kinetickou energii. V oblasti energií v televizoru nám stačí počítat nerelativisticky, tedy kinetická energie je rovna Ek = 1/2 m v2. Nic jiného z katody nevylétává.
2) Elektron je dále urychlován a usměrňován elektrickým i magnetickým polem v obrazovce, až dopadne na příslušné místo stínítka. Během svého letu neztrácí energii žádným vyzařováním. (To by přicházelo v úvahu až v mnohem mohutnějších zařízeních typu synchrocyklotronu s mnohem většími energiemi.)
3) Dopadem na příslušné místo stínítka se elektron zabrzdí. Část jeho energie se spotřebuje mechanismem, který vede k tomu, že stínítko na tom místě zasvítí, zbytek energie se promění dílem na zahřátí a deformaci prostředí, kam elektron dopadl, dílem na elektromagnetické záření, tzv. brzdné záření. To má dvě výrazně rozlišné části - spojité spektrum vznikající principiálně vždy, když se elektricky nabitá částice urychluje (anebo brzdí, to je prostě urychlování se záporným znaménkem), a čárové spektrum, určené materiálem, v němž se elektron brzdí. Část brzdného záření padne i do rentgenových oblastí elektromagnetických vln ("měkké rentgenovo záření"), ovšem je poměrně slabá. Urychlující napětí obrazovky je deset až pětadvacet tisíc voltů, což není zas pro tento účel tak moc, záření se na své další cestě pohlcuje a samozřejmě na rozdíl od rentgenky je obrazovka koncipována tak, aby rentgenova záření k divákovi došlo co nejméně.

(J.Dolejší,J.Obdržálek)   >>>  

4) Netepelná emise17. 07. 2002

Dotaz: Může nastat emise elektronů z katody za působení napětí pár set voltů? (netepelná emise). Vytvoří se tak více elektronů, než působením kosmického "záření" na plyn mezi A a K, např N2? (Vlastimil Kůs)

Odpověď: Ano, může, a může se vytvořit podstatně více elektronů než působením kosmického záření v našich pozemských podmínkách. Pro studenou emisi je podstatné silné pole při povrchu katody, které dovolí některým elektronům uniknout (protunelovat se) z kovu katody. Lokalní intenzita pole u povrchu katody je ovšem dramaticky závislá na kvalitě povrchu - na struktuře nerovnosti. Jestliže vytvoříte "kopcovitý povrch" s ostrými špičkami kopců a jejich dostatečnou hustotou, zdaří se potřebné napětí stlačit na úroveň málo desítek voltů (rozhoduje intenzita pole!!!) a přitom dosahovat proudů potřebných pro technické aplikace. Téma je dnes aktualní díky "nanotechnologiím". Mrkněte se na web, hledejte slova "cold emission", "field emission".
(J.Dolejší)   >>>  

5) Změny vlastností plynů při ionizaci21. 06. 2002

Dotaz: 1) Kde lze najít (web nebo publikace) něco o změnách vlastností plynů a vodních par při ionizaci. Zajímá mne zejména změna elektrického odporu a elektrické pevnosti plynů při ionizaci. 2) Lze docílit ionizace pomocí laserového paprsku ? (Jiří Büllow)

Odpověď: 1/ Konkrétně fyziku plazmatu lze najít na stránce http://vega.fjfi.cvut.cz/docs/umfmat/umf_url.html,
tam se klikne na čtyřku, a jde se poněkud dolů - pod jadernou fyzikou je fyzika plazmatu. Další informace naleznete na stránkách:
http://www.plasmas.org/index.html, http://FusEdWeb.pppl.gov/index.html, http://www.plasmacoalition.org/, http://fusioned.gat.com/Teachers/SlideShow.html

http://www.aldebaran.cz/ Bohužel na tomto serveru nejsou udělány výboje v plynech, nicméně jsou tam hezké obrázky a hlavně české povídání o plazmatu vůbec.

Co se týče změny elektrické vodivosti a elektrické pevnosti při ionizaci, je odpověď značně závislá na druhu plynu a stupni ionizace. Obecně se dá říci, že ionizovaný plyn se stává elektricky vodivý (je třeba uvážit, že v atmosféře kolem nás je v každém kubickém cm asi 2000 iontů), a že za určitých podmínek (aplikací dostatečně vysokého napětí mezi elektrodami, mezi kterými se vodivost plynu měří) dojde k lavinovému efektu, kdy již vytvořené elektrony a ionty na své dráze dále ionizují, čímž stupeň ionizace, a tím i vodivost prudce stoupá. Nemalou úlohu přitom hrají i tzv. gama procesy, tj. sekundarni emise elektronů z povrchu elektrody. Závislost tzv. zápalného napětí samostatného výboje na součinu tlaku plynu a vzdálenosti rovinných elektrod (p.d) udává tzv. Paschenův zákon, což je pro daný plyn plynulá křivka s jedním minimem pro určité p.d. Zápalné napětí lze snížit, pokud se poskytnou nějaké nabité částice navíc (tj. kromě těch, které si elektrony nebo ionty na své dráze nebo interakci s elektrodou samy "vyrobí"), např. ionizací prostoru mezi elektrodami zářením, aplikací dodatečného napětí na pomocnou elektrodu s ostrým hrotem umístěnou mezi hlavními elektrodami (tak se zapaluje fotografický blesk), termickou emisí elektronů z ohřátého povrchu katody (tak se zapaluje výboj v zářivce). Elektrická pevnost plynů je termín technický, který je v podstatě ekvivalentní termínu zápalné napětí. Moje představa o něm je ta, že se vztahuje k přesně definovanému tvaru elektrod, mezi kterými se tato pevnost měří, a udává se za daného, většinou atmosferického tlaku (pokud tedy výboj vznikne, bude to jiskrový výboj).

2/ Co se týče druhé otázky, ionizace pomocí laserového paprsku, tam odpověď závisí na energii fotonů a na celkové hustotě energie ve svazku. Vzhledem k tomu, že teď máme v ČR výkonný laserový systém PALS, který se používá na generaci plazmatu interakcí laserového paprsku s pevnou látkou, doporučuji podívat se na jeho www stranku (v češtině) http://www.pals.cas.cz/pals/pac001hp.htm.(Prof.RNDr. Milan Tichý DrSc. - 21.6.2002)

(M. Tichý)   >>>