(c) שכנר - מכשור אלקטרוני -פרק 8 - נוזלים 1 מכשור אלקטרוני:...

(c) שכנר - מכשור אלקטרוני -פרק 8 - נוזלים

1

- הולכה בנוזלים8מכשור אלקטרוני: פרק - הולכה בנוזלים8מכשור אלקטרוני: פרק 8.1מכשור הפועל בפזה נוזלית

8.2תופעות הולכה בנוזלים

מקדם דיאלקטרי

נושאי מטען

המסת מלחים

8.3מבנה מולקולת המים

8.4הולכה בנוזלים

Faraday8.5חוקי


2

מכשור הפועל בפזה נוזליתבטריותתאי דלקמדי לחות צגיLiquid Crystalמתקני אלקטרוליזהאלקטרו-פורסיסאלקטרו-ספינינגקבלים אלקטרוליטיים

בטריותתאי דלקמדי לחות צגיLiquid Crystalמתקני אלקטרוליזהאלקטרו-פורסיסאלקטרו-ספינינגקבלים אלקטרוליטיים

התא הביולוגי מערכת העצביםDNA


3

מיון נוזליםפולריים לא פולריים

- מקדם1 דיאלקטרי

CKe =C0

V0=V

תופעות אופייניות לנוזל פולרי

הקיבול: יחס בין המטען למתחq

VC =


4

Cמדידת מקדם דיאלקטרימדידת מקדם דיאלקטריKe = C0

V0=

V

V

2

עםדיאלקטרי

q+ q -

V0

1

בריק

q+ q -


5

מקדם דיאלקטרי של מים

מקדם דיאלקטרי של מים

CKe (H2O) = C0

V0=V

Frecuency[Hz]

Ke(H20)

DC 81

תכונה ראשונה

4.6 x 108 79

3.7 x 109 66

1.7 x 1010 61

תכונה שניה

8.16ת.


6

תלות הקבוע הדיאלקטרי בתדירות

Ke = n2

F. A. Jenkins and H. E. WhiteFundamentals of OpticsMcGraw-Hill Book CompanyTable 23 II – pp. 483


7

-

+

+

-+

+-

-+

+

+

+

- +

-

+-

+

-+

-

+

+

-

-

-

+

-

-

תכונה שלישית: המסת מלחים

m.p. (NaCl) = 1081 0Cm.p. (CsCl) = 808 0C

.גבישים יציבים מאודכוח אלקטרוסטטי

מתפרקיםבמים


8

A

אלקטרודה חיובית

אלקטרודה שלילית תמיסה מימית עם

"אלקטרוליט" מומס

:תכונה רבעיתמוליכות בתמיסות

עם מלחים

אלקטרוליטים: מלחים, חומצות ובסיסים

:אלקטרוליטחומר המכיל יונים חופשיים ויש לו

מוליכות חשמלית


9

סיכום תופעות של המים

-המקדם הדיאלקטרי בDCגבוהה מאוד -המקדם הדיאלקטרי קטן עם התדירות בACגבישים יוניים נמסים במים לתמיסות עם מלחים (או אלקטרוליטים) יש

מוליכות חשמלית


10

הסבר לתופעות:

המבנה של מולקולת המיםPermanent

Dipole

O

H

H

HOH = 104.5 0

להבדיל מדיפול מושרה

מולקולה שעבורה מרכז המסה של הפרוטונים שונה

ממרכז המסה של האלקטרונים

אפשרי רק במולקולות (לא באטומים)שיש להם סוגים שונים של אטומים


11

Induced Polarizationנזכור יינון ע"י קיטוב מושרה

+Zא

+V -V+Z

קיטוב מושרה

ב

+V* -V*+Z +e-

יינוןג

,מולקולה פולרית מקוטבת תמידשדה חשמלי "מכניס סדר" בנוזל פולריללא שדה חיצוני

Permanentקבוע

קבוע


12

נוזלים פולריים

מרכז המסה של המטענים החיוביים שונה

ממרכז המסה של המטענים השליליים

מרכז המסה של המטענים החיוביים שונה

ממרכז המסה של המטענים השליליים

מומנט דיפול קבוע במולקולה של הנוזל מומנט דיפול קבוע במולקולה של הנוזל

בסימןוהפוכיםבערכםשוויםמטעניםלשני

ו המרוחקים במרחקLיש מומנט דיפול ,

x L


13

הרמה המולקולרית במיםהרמה המולקולרית במים

O

H

H

מומנט הדיפול במים

(H2O) = 0.62 x 10-29 [Coulomb.m]

= x L = ?

d(O-H) = 96 x 10-12 m

O

H

H

HOH = 104.5 0


14

מומנט דיפול של המים של מולקולה (לא נחשב את הערך של

מים). נתונים:L = 100 pm

= 0.62 x 10-29 [Coulomb.m] = L=/L=

0.62 x 10-29/100 x10-12 =

0.62 x 10-19 coulomb מטען הדיפול כשבר של = 0.62 x 10-19 coulombהאלקטרון

f = /e- = 0.39

1e- = 1.6 x 10-19 coulomb


15

שדה שלדיפול

P

ErE

r

+ -L

r>>Lעבור

Er =1

4 2 cos

r3

E =1

4 sin

r3דיפולים יוצרים שדה חשמלי התלוי :

= L( במומנט הדיפול (•• 1/r3 בזווית •

הדיפול נאוטרלי מבחינה חשמלית, אבל בכל זאת

יוצר שדה

השדה של דיפול נופל עם המרחקחזק יותר מהשדהשל מטען נקודתי


16

השוואה בין שדה של דיפול לשדה של מטען נקודתי

30

dipole r)(f

41

E

20

intpo rq

41

E

דיפול יוצר שדה כמו שמטען נקודתי יוצר שדה

:ההבדליםr3 שדה של דיפול יורד עם התווך לפי

שדה של דיפול תלוי בזווית

, ממלא תפקידמומנט דיפול, , דומה למטען של שהמטען הנקודתי

"אף על פי שהדיפול הוא "נאוטרלי


17

מדוע הדיפול של המים ...

? יוצר מקדם דיאלקטרי גבוה ? יוצר המקדם הדיאלקטרי הקטן עם התדירות ? ממיס מלחים ? יוצר תמיסות מוליכות עם אלקטרוליטים


18

מדוע הדיפול של המים יוצר מקדםדיאלקטרי גבוהה ?

+ -

HH

O

HH

O

HH

O

HH

O

HH

O

HH

O

HH

O

HH

O

HH

O

HH

OHH

O

HH

O

HH

O

HH

O

HH

O

HH

O

HH

O

HH

O

HH

O

HH

O

ניטרול שדה הלוחות ע"י

שדה הדיפול

הקטנת מטענים על פני יחידת שטח של לוח חיובי ע"י צפיפותמשטחית של

מולקולות מים

– עם הפעלת שדה חשמליהדיפולים של המים מסתדרים בהתאם לשדה


19

מדוע הדיפול של המים יוצר מקדםדיאלקטרי היורד עם התדירות ?

HH

OH

HO

HH

OH

HO

HH

O

HHO

HHO

HHO

HHO

HHOH

HO

HHO

HH

O

HH

O

HH

O

HH

O

HH

O

HH

O

HH

O

HH

O

לדיפולים לוקח זמן להסתדר

בכיוון ההפוך

+/--/+

~


20

מדוע הדיפול של המים ממיס מלחים ?

הקשר בין היונים בגביש הוא כוח אלקטרו-סטטי שדה הדיפולים נכנס בין היונים ומקטינים את

המשיכה האלקטרוסטטית (כמו במקרה של הקבל).

הידרטציה של יונים


21

-

+

+

-+

+-

-+

+

+

+

- +

-

+-

+

-+

-

+

+

-

-

-

+

-

-

HH

OHH

O HH

OH

H O

התמיסות תמידנאוטרליות

C+ A

CA-H2O

(+) = - (- )

הגביש נאוטרלי


22

מדוע הדיפול של המים ממיס מלחים ?

H

H

OH

HO

Cl-

H H

O

HH

O

Hydration

Na+H

H

O

H H

O

H

H O

?

עטיפת היונים במולקולות מיםעטיפת היונים במולקולות מים

הקוטב השלילי של דיפול המים מתכוון אל הקתיונים.הקוטב החיובי של דיפול המים מתכוון אל האניונים.

מספר המולקולות העוטפות גדל עם גודל היון


23

+H+ 8x10-6 A1H3Oמי הידרטציה

Be+2 0.3 A4Be(H2O)4+2

Mg+2 0.65 A

6Mg(H2O)6+

2

Al+3 0.45 A6Al(H2O)6+3

La+3 1.06 A9La(H2O)9+3

Cl-1 1.81 A4Cl(H2O)4-1

8.15ת.

מספר המולקולות העוטפות

גדל עם גודל היון

ליון שלילי פחות מאשר

לקטיון. החלק השלילי של המולקולה צר יותר החלק

החיובי.

first hydration shell

second hydration shell

O

H

H


24

ייצירת תמיסות מוליכות: הולכה בתווכים שונים

אין הולכהמבודד

מוליךמוצק

וואקום

e-/קתיוניםחורים

אניוניםנושאי מטעןתווך

גז (פלסמה)

פולרי

אין הולכהלא פולרינוזל

מל"מ


25

מסקנה

איןהתווך המוליך היחידי שבו הולכה של אלקטרונים:

נוזלים פולריים

Hamann שניה 0.001זמן חיים של אלקאטרון במים הוא


26

מדוע הדיפול של המים אינו מאפשר מעבר של אלקטרונים ?

+H3Oהאלקטרון מגיב עם היון

2H3O+ + 2e- H2 + 2H2O

H2O + H2O H3O+ + OH-

http://en.wikipedia.org/wiki/Hydronium

בדומה ליוניזציה עצנית של גזים

Kr0 Kr+ + e-

קיימת בין מולקולות המים שיווי משקל דינמי

יון הידרוניום Hydronium


27

6.25 x 10-28 גז Krבשיווי משקל T = 1500 0K

]Kr0 = [5 x 1019

נחושת

מל"מ אינטרינצי

מים מזוקקים

NaClתמיסה מימית של 1 mole/liter = 1 M

[carriers/cm3] תווך8 Jan


28

חישוב מספר מוליכים בנחושת

:מתוך המערכה המחזורית מוצאים אתo:המסה של סמ"קהצפיפות

o :מה המסה של מול חומרהמסה המולרית מתוך המסה המולרית מחשבים את המסה

של אטום אחד מתוך הצפיפות מחשבים את מספר

האטומים בסמ"ק


29

נחושת (בהנחה שכל לרמת eאטום תורם

ההולכה)

8 x 1022

בשיווי משקלKr גז T = 1500 0K

]Kr0 = [5 x 1019

6.25 x 10-28

Si (1.6 x 1010) מל"מ אינטרינציGaAs (1.8x106)


מים מזוקקים

[carriers/cm3] תווך


30

חישוב מספר מוליכים במים מזוקקים

[H3O+] = [OH-] = 10-7 mol/l = 10-7 M

1 mol = Navo = 6.023 x 1023 ions

1 liter = 1000 cm3 [H3O

+] = (10-7)(6.023x1023)/1000 =

6x1013 ions/cm3 [Carriers] = [H3O

+] + [OH-] =

1.2 x1014 ions/cm3



31


]Kr0 = [5 x 1019

8 x 1022 נחושת (בהנחה שכל לרמת eאטום תורם

ההולכה)

Si (1.6 x 1010)GaAs (1.8x106)


1.2 x 1014 מים מזוקקים




32

חישוב מספר מוליכים בתמיסה מימית

NaClנושאי מטענים בסמ"ק של תמיסת mol/liter 1 1 mol = Navo = 6.023 x

1023 = 1 liter = 1000 cm3

c[ion/cm3] =6.023 x 1023

1000 cm3= 6.023 x 1020 ion/cm3

[carriers] = 1.2 x 1021 ion/cm3


33


]Kr0 = [5 x 1019

8 x 1022 נחושת (בהנחה שכל אטום) לרמת ההולכהe1תורם

Si (1.6 x 1010)GaAs

(1.8x106)


1.2 x 1014 מים מזוקקים

1.2 x 1021 תמיסה מימית שלNaCl 1 mole/liter = 1 M


יותר ממל"מ

אינטרינזי

כמו מוליך מתכתי


34

Mobilityאבלתגובות

כימיות

מונעים יצירת מוליכים של זרמים גדולים. לא ניתן לייצר

רשת של מים מולוכים להולכת חשמל לבתים

אין לא Liquid crystalsסידור מרחבי1

מאטלתווך

שולי הפרדת יונים ע"י 2תנועה

Electrophoresis

מבחוץלמערכת

יש 3Electrolysisהפקת חומריםנחושת, אלומיניום, כלור

מהמערכת אחוצה

יש 4Voltaic Cellsבטריות, תאי דלק

מעבראנרגיה

אפקט הפעלת#שדה חשמלי

זרם יישוםבתווך


35

תא אלקטרוליטי

A

Cl-


אלקטרודה שלילית תמיסה מימית

יונים חיוביים ינועו בכיוון הפוך

K+

יונים שלילייםינועו בכיוון

האלקטרודה החיובית

מולקולת מי הידרציה

הזרם במיסה הוא סכום

של שני הזרמים.שווה לזרם במוליך

החיצוני


36

מוליכות של יונים בתמיסות

Ffriction = 6rv נוסחתStokes

Fel = ne-E

:מנגנון רגילכח חשמלי פועל על מטען

המטען נע במהירותקבועה

אחרי האצה ראשנה

שני מנגנונים

להבדיל מההולכהבוואקום ובפלסמה

,כל כדור או עצם הנע בתוך נוזלסובל מחיכוך, צמיגות

Electrophoresis

ne-E = 6rumax

umax = =ne-E6r

e-

E6nr


37

-

Gel

~ ~ ~ ~+

תערובתכיול חומרים נבדקים

+

-

~ ~

~ ~

~ ~ ~

~

http://micro.magnet.fsu.edu/electromag/java/electrophoresis/

ניתן לחתוך.חלקים מהג'ל בידוד פרוטאין

a33 viscosityלהביא לשיעור הבא:


38

מנגנון שני: "הולכה בנוזלים"


H3O+ +

H2O

H2O + HH2O+

OHH H+ O

HH O

HH

H+OHH

+

העברת יונים ל"אתרים במטען הפוך" בנוזל ובמוצק

בדיפול יש הסתברות

שהאלקטרון "המחבר"

עובר לגמרי לחמצן

ומשחחר פרוטון

דומה לתנועת "חורים" במל"מ

רק הפרוטונים עוברים מדיפול לדיפול. הפרוטון נע במהירות גבוהה. לא מושך איתו מי הידרטציה כמו בשיטת ההולכה הקודמת


39

תגובות Aכימיות

אלקטרודה שלילית


4HO- 2H2O + O2 + 4e-

2H3O+ + 2e- 2H2O + H2

H3O+ OH-


40

הולכה במים מלווה תמיד בשינוי כימי

2Cl-1 Cl2 + 2e- אלקטרודה

חיובית

תגובת חצי תא

2Na++ e- 2Na0 אלקטרודהשלילית

אפשר למדוד (או להפעיל) מתח בתא אלקטרו-כימי ללא תגובה. )LCD(

אבל אם מעבירם זרם יתרחש שינוי כימי


41

תגובות חצי תא

Cu++ + 2e- Cu0

באלקטרודה שלילית:מוצק מתכתי

2Cl- Cl20 + 2e-

באלקטודה החיובית:גז

יוניםמומסיםבמים

15 Ja

n


42

המעגל

הזרם האלקטרוני

A

A-

A-

C+

C+

הזרם היוני

e-e-

e-e-

למעגל יש שני,מסלולים אחד ליונים

.דרך האלקטרוליט השני

דרך מוליך מתכתיעבור האלקטרונים


43

תהליכים אלקטרו-כימייםאינטראקציה

"חומר-אנרגיה חשמלית" בתא אלקטרוליטי

Low Energy Substance

+ Electrical Energy

High Energy Substance/s

Electrolysis

Battery,Fuel Cell

בתהליכים אלו זורם זרם


44

הזרם והמתח בתאים אלקטרו-כימיים

i [A]

E [V]

E0

E0 = EMF

תא גלבני, תא דלק

spontaneous

Less energetic products + electrical energy

תא אלקטרוליטי

forcedMore energetic products - electrical energy

מתח עולה ללא זרם


45


46

Faradayחוק לאלקטרוליזה

המסה של חומר נתון המשתחררת :-באלקטרודה, יחסית ל

mx = mchem,x Q = mchem,x I t

Chemical Equivalent

שווה הערך הכימי" של החומר"

כמות המטען העובר דרך התא


47

לאלקטרוליזהFaradayחוק

המסה של :האקיוולנט הכימי של חומר היאהחומר המתרכב או הדוחה

1.008 g(מול של מימן) של מימן

עבור :יסודות

mchem= amvalence


48

אלקטרוליזה של מים

4H+ + 4e- H20

2O-2 O20 + 4e-

גז

גז

באלקטרודה שלילית:

באלקטודה החיובית:


49

שווה הערך הכימי של חמצן

1.008 g H2

8.00 g O2

מהו המשקל האטומי של

חמצן?


50

g 1.008שווה הערך של מתכות H2

Ag+ Cl- Cu+2

2Cl- Al+3

3Cl-

התמיסות תמידנאוטרליות 107.868 g

Ag0

XX g Cu0 YY g Al0

"טעות".דידקטיתAlמים לפני


51

Ampeהגדרת יחידות בסיסיותr

Faraday Mole

Amper 1 הוא הזרם הקבוע הגורם, במשך mg Ag 1.1193שניה, לשקיעת מסה של

1 A = 1.1193 mg Ag/s

האלקטרוליזה מאפשרת למדוד זרם בעזרת מאזניים

1 A = 1 Coulomb/s =

1 C/s1.6 x 10-19 C

= 0.625 x1019 e/s

107.868 g Ag

6.023x1023 atoms Ag=

X g Ag

0.625x1019 atoms Ag

כמה אלקטרונים יש באמפר?

Ag+ + e- Ag0 כל אלקטרון העובר דרך התא "מחזר" אטום של כסף


52

מסות של האלקטרון, אטום מימן ואטום כסף

מסה של אטום מימןmH(Kg) = 1.008 x 10-3 Kg / NAvo

מסה של אטום כסףmAg (Kg) = mAg (amu) 1.008 x 10-3

Kg/Navo

mAg/me = ?

מסה של האלקטרוןme = 9.1x 10-31 Kg

Ag+1 + e- Ag0

כל אלקטרון "יוצר" אטום כסף


53

הגדרת הפרדאי

שווה-ערך כימי של חומר היא כמות החשמל המשחררת

Faraday

הגדרתMole ה-

מספר האלקטרוניים מסת מימן של המשחררים

1.008 g

הפרדאי הוא מול של אלקטרונים

F = e Navo = (1.6x10-19)(6.023x1023) = 96,489 coulomb


54

כמות החומר ...המשחרר או דוחה

t [s]i [A]mx [g]

20.16

20.2

10.1

40.1

mx = mchem,x itmx = mchem,x it


55

דיאלקטריות ומוליכות/התנגדות

מוליכות: שינוי מקום עם הזמן של נושאי המטען

A

A-

A-

C+

C+

e-e-

e-e-הזרם האלקטרוני

הזרם היונים

V = iR

שינוי מרחק יחסילאלקטרודות

שתי התופעות מתרחשות כאשר מפעילים שדה חשמלי על תווך


56

+Z

קיטוב מושרה

דיאלקטריות: שינוי ההתפלגות המרחבית של המטענים

+ZV

VdVd

s,θ

,בדיפולים מושרים, בהגדרההדיפול קיים בזמן הפעלת השדה

בדיפול מושרה

השדה משפיע על התפלגות המטעניםבאטומים ומולקולות


57

דיאלקטריות: שינוי ההתפלגות המרחבית של המטענים

V

בדיפולים קבועים, השדה מוסיף סדר למולקולות

דיפולים קבועים

מולקולרייםהשדה מכוון את הדיפולים ה

HH

O

HH

HH

OH

HOH

HO

HH

O

HH

HH

HHO

OO

HH

O

HHO

HHO

HHO

HHO

HHO

HHO

HH

HHO

OH

HO

O

HHO

תנועה אקראית + -

HH

O

HH

O

HH

O

HH

O

HH

O

HH

O

HH

O

HH

O

HH

O

HH

OHH

O

HH

O

HH

O

HH

O

HH

O

HH

O

HH

O

HH

O

HH

O

HH

O

הוספת סדרמרחבי

(c) שכנר - מכשור אלקטרוני -פרק 8 - נוזלים 1 מכשור אלקטרוני:...

Documents

Transcript of (c) שכנר - מכשור אלקטרוני -פרק 8 - נוזלים 1 מכשור אלקטרוני:...