Protokoly BBFY2

32,210,910,420,0301,78,910,330,0251,96,39,840,0202,24,38,750,0152,12,76,960,0101,71,44,970,0050,90,52,680,0000,00,00,02) Grafy:ad4) Výpočet RH, n, v, Fm,

ČVUT FBMILaboratorní cvičení předmětu BBFY2Lorentzova sílaJán Hýbl B1116.5.2009Úkol: Dokažte existenci vznik Lorentzovy síly.Dokažte Flemingovo pravidlo levé ruky.Z naměřených hodnot určete výpočtem velikost magnetického pole, v kterém se vodič nachází. Naměřené hodnoty zpracujeme postupnou metodou. Určíme chybu měření a výsledky výpočtů a naměřené hodnoty presentujte tabulkami měření a hodnotícím závěrem.Princip: Na pohybující se elektrické náboje, tj. na vodič, kterým protéká elektrický proud v magnetickém poli, působí síla. Mějme vodič zavěšený na závěsu v homogenním magnetickém poli. Začne-li vodičem procházet proud, vodič se vychýlí. Magnetická síla, která na něj působí, je kolmá ke směru proudu ve vodiči a ke směru magnetických siločar. Směr síly se určí Flemingovým pravidlem levé ruky: "Položíme-li otevřenou levou ruku k přímému vodiči tak, aby prsty ukazovaly směr proudu ve vodiči a indukční čáry magnetu vstupovaly do dlaně, pak palec ukazuje směr magnetické síly."Popis soupravy a příprava měření: Souprava se skládá z vodiče uchyceného v závěsu, kterým protékám proud o velikosti měněné regulovatelným stejnosměrným zdrojem. Pro měření síly, která vychyluje závěs resp. vodič v magnetickém poli je použit digitální siloměr, Obr. 1.Obr. 1.: Schéma zapojení soupravy.Postup měření: Natavte, resp. zkontrolujte hodnotu síly na siloměru, zda je nulová při nulové hodnotě protékajícího proudu.Postupně měňte velikost protékajícího proudu vodičem a odečítejte velikost síly, kterou je vodič vychylován. Změřte minimálně pět dvojic hodnot.Ověřte Flemingovo pravidlo levé ruky a stanovte, jakým směrem protékal proud.Naměřené hodnoty zpracujeme postupnou metodou. Výsledky a naměřené hodnoty presentujte tabulkami měření a závěrem hodnotícím vypočtené a naměřené hodnoty.Teoretický základ pro řešení úlohy: Druhou základní silou, hned po síle gravitační, je síla elektromagnetická. Vlastnosti elektromagnetické interakce určují Maxwellovy rovnice a vztah pro Lorentzovu sílu z nich byl částečně, po složitých úpravách, odvozen. Lorentzovu sílu je síla působící na náboj v elektromagnetickém poli (elektrické pole representuje jeho intenzita a magnetické pole jeho indukce), bez toho, aby působila změnu jeho rychlosti:qelektrický nábojEintenzita elektrického polevrychlost nábojeBmagnetická indukceBěžně je však za Lorentzovu sílu označován příspěvek magnetické síly, tzn.Rozdělení magnetických a elektrických příspěvků je závislé na vztažné soustavě. Při správném zvolení vztažné soustavy je možné sílu elektrického pole zanedbat. Elektrický proud procházející vodičem sestává z pohybujících se elektrických nábojů. Nachází-li se tedy vodič v magnetickém poli, bude na něj působit Lorentzova síla. Rychlost částice můžeme vyjádřit jako podíl vektorově vzaté dráhy (tedy polohy průvodiče) l, kterou náboj q urazí za čas t:v=ltlpoloha průvodcetčas, za který urazí náboj q dráhu lProud můžeme také vyjádřit jako celkový náboj q, který projde daným místem za určitý čas t:I=qt

ČVUT FBMILaboratorní cvičení předmětu BBFY2Stanovení elektrochemického ekvivalentu mědi a Faradayovy konstantyJán Hýbl B1112.5.2009ÚkolZměřte elektrochemický ekvivalent mědi.Pomocí elektrochemického ekvivalentu mědi spočítejte Avogadrovu a Faradayovu konstantu. Naměřené hodnoty porovnejte s tabulkovými.Stanovte chybu měření Avogadrovy a Faradayovy konstanty. PrincipCílem této úlohy je ověřit princip vedení elektrického proudu v elektrolytu. Na rozdíl od kovů se v elektrolytu průchodem proudu přemisťuje nejen náboj, ale i hmota. Hmotnost vyloučené látky je přímo úměrná náboji, který prochází elektrolytem, což znamená, že je možné sledovat hmotnostní změnu katody resp. anody. Popis soupravy a příprava měřeníSouprava se skládá z nádoby s elektrolytem, dvou elektrod, váhy, zdroje stejnosměrného napětí, potenciometru, ampérmetru či voltmetru a stopek. Souprava je zapojena dle Obrobrázku 14.1. Obrázek 14.1: Schéma zapojení soupravy.Postup měřeníKatodu dobře osušíme a následně zvážíme s maximální možnou přesností.Katodu a anodu vložíme do přípravku s elektrolytem, zapneme obvod.Zároveň začneme odečítat čas a hodnotu proudu udržujeme po dobu měření konstantní.Po 3 min. ukončíme měření. Vyjmeme katodu z roztoku, vložíme do transportní misky a opláchneme pod vodovodem.Po omytí elektrodu osušíme (vhodné pod infračervenou lampou). Po ukončení sušení necháme elektrodu vychladnout.Zvážíme na analytických vahách.Měření opakujeme, přičemž dbáme na to, abychom veškeré operace prováděli pokud možno stejnou dobu a tím zajistily stejnou systematickou chybu. Naměřené hodnoty zpracujeme postupnou metodou. Určíme chybu měření a výsledky porovnáme s tabulkovými hodnotami. Výsledky a naměřené hodnoty presentujte tabulkami měření a závěrem hodnotícím vypočtené a naměřené hodnoty.Teoretický základ pro řešení úlohyZ hlediska elektrické vodivosti dělíme kapaliny do tří skupin: elektricky téměř nevodivé kapaliny, elektricky slabě vodivé kapaliny a dobře vodivé kapaliny. Nás budou zajímat jen posledně jmenované kapaliny, kterým se zkráceně říká elektrolyty.Při rozpouštění kyselin, solí a zásad ve vodě dochází ke vzniku iontů působením molekul rozpouštědla (vody). Tento jev se nazývá elektrolytická disociace, např. H2SO4 2H+ + SO42– (disociace kyseliny)KOH K+ + OH– (disociace zásady) NaCl Na+ + Cl– (disociace soli)  Obrázek 14.2.: Vedení elektrického proudu v kapalině.Vysoká vodivost roztoku je způsobena vysokou koncentrací iontů, které vznikají disociací molekul rozpouštěné látky. Molekuly rozpouštědla působí na rozpouštěnou látku elektrostatickými silami a díky tomuto působení se rozpouštěná molekula rozdělí na dva ionty s opačným nábojem. Vedle disociace dochází v roztoku také k rekombinaci iontů, což je proces opačný k disociaci. V případě, že za jednotku času disociuje a rekombinuje stejný počet molekul, nastává dynamická rovnováha a koncentrace iontů je stálá. Její velikost závisí na koncentraci roztoku a na teplotě. Vložením elektrod s různými elektrickými potenciály do roztoku se ionty začnou vlivem elektrického pole pohybovat a po setkání s elektrodou se změní na elektricky neutrální částice. Takto vzniklá látka může buď unikat ve formě plynu z roztoku, nebo se usazuje na elektrodě anebo po rekombinaci opět vstoupí do roztoku.El. Proud vyvoláme připojením el. Zdroje k elektrodám. El. Pole, které vznikne mezi elektrodami, vyvolá usměrněný pohyb iontů. Kladné kationty se pohybují směrem k záporné elektrodě katodě a záporné anionty se pohybují směrem ke kladné elektrodě anodě. Na elektrodách odevzdají ionty své náboje a vyloučí se v podobě atomů či molekul. Napětí musí disociovat látku a až po té obvodem prochází proud. Pro proud, procházející elektrolytem platí:,(14.1)Kde Ur je rozkladné napětí (definuje minimální vnější napětí, při kterém dochází k trvalému rozkladu elektrolytu a tím k vedení proudu). Obecně také platí, že čím větší je vzdálenost elektrod, tím větší je odpor a klesá proud. Čím víc jsou elektrody ponořené do elektrolytu, tím větší je proud (větší účinná plocha).Pokud roztokem protéká elektrický proud, tak na nabité ionty působí elektrická síla, která je dává do pohybu. (14.2)Kde představuje náboj iontu, E je intenzita elektrického pole a mocenství iontu (Mocenství prvku u jednoatomového iontu je rovno jeho nábojovému číslu (náboj vyjádřený v násobcích elementárního náboje; značí se arabskou číslicí a znaménkem + nebo – u chemického symbolu vpravo nahoře, například Cu2+ nebo Cl-). Součet mocenství všech atomů v molekule je roven nule, v iontu jeho nábojovému číslu.). Pohybující se ionty jsou však brzděny srážkami s okolními molekulami, což si můžeme představit jako tření,(14.3)kde představuje brzdění pohybu, přičemž jeho velikost popisuje Stokesův zákon, který zohledňuje velikost pohybujícího se shluku o poloměru v kapalině o dynamické viskozitě . Pohybující se shluk je tvořen iontem, který je obklopen molekulami rozpouštědla, které také tvoří složku roztoku. Můžeme tedy sestavit rovnici:.(14.4)Za velmi krátkou dobu se velikosti elektrické a odporové síly vyrovnají a iont se začne pohybovat konstantní rychlostí. Odtud odvodíme, že ,(14.5)kde konstanta úměrnosti se nazývá pohyblivost nosiče náboje. Dodejme, že s rostoucí teplotou se snižuje dynamická viskozita, proto pohyblivost nosičů náboje roste. Zobecněný vztah pro proudovou hustotu vodivostních elektronů v kovovém vodiči je,(14.6)kde I je elektrický proud protékaný vodičem o průřezu S a pokud ,(14.7)kde Q je celkový náboj ve vodiči o délce l průřezu S, neboť n je počet nosičů náboje q v jednotkovém objemu, tedy koncentrace nosičů. Protože všechny náboje ve vodiči se pohybují rychlostí vi, projde tento celkový náboj libovolným průřezem za dobu t. Z uvedené úvahy pak zjistíme, že proudová hustota se určí vztahem (14.8)a odtud můžeme upravit na uspořádaný pohyb kladných a záporných iontů v elektrolytech .(14.9)Pokud je počet nosičů náboje stejný, a velikosti těchto nábojů totožné, pak.Vzhledem k tomu, že proudová hustota je také určena konduktivitou (měrnou elektrickou vodivostí) prostředí a intenzitou vnějšího elektrického pole E(14.10)čímž jsme určili vztah pro konduktivitu vodivého roztoku.Jestliže je elektrický proud v látce zprostředkován usměrněným pohybem iontů, probíhají při průchodu chemické změny na elektrodách a v roztoku, které se nazývají elektrolýza. Elektrolýzu doprovází přenos látky k určité elektrodě. Ději, které probíhají v elektrolytech, se zabýval pan Faraday. Kvantitativní zákony elektrolýzy formuloval na základě experimentálních výsledků.První Faradayův zákon určuje hmotnost látky vyloučené na elektrodě nebo v roztoku. Jestliže za dobu t ztratí u elektrody náboj n iontů, z nichž každý má mocenství z, elementární náboj q a hmotnost mi, vyloučí se u elektrody hmotnost M látky nábojem Q a platí:,(14.11)(14.12)a odtud předpokládáme,(14.13)kde konstanta úměrnosti A je pro danou látku (elektrolyt) charakteristická a nazývá se elektrochemický ekvivalent. Pokud se na uvažované elektrodě vylučuje pouze jeden druh látky, je její hmotnost úměrná prošlému náboji elektrolytem:.(14.14)Neboť je elektrický proud I fyzikální veličina, která vyjadřuje množství náboje prošlého za jednotku času t, pak může napsat, že (14.15)I je tedy proud procházející obvodem a t je čas, tj. Doba měření. Odtud předpokládáme, že .(14.16)Násobením čitatele a jmenovatele hodnotou NA, což je tzv. Avogadrova konstanta (vyjadřuje počet částic v jednotkovém látkovém množství (v 1 molu)), získáme vztah,(14.17)kde F je Faradayova konstanta (Faradayův náboj) a