磁场的电化学效应的解释
以及在进行过程中正电荷的来源

志勰

[简介]对磁场的电化学效应系统的定性分析。


       在磁场的电化学效应中,电流的获得是通过磁场电极源源不断的吸附溶液中的铁离子来实现的。那么,溶液中的铁离子应该会越来越少才对,现在大家都知道,溶液中的铁离子是由另一个不带磁场的电极上的铁不断的分解成铁离子来实现的,那么,是通过什么样的方式使电极上的铁变成铁离子并且溶解到溶液中的呢?

   在关于磁场的电化学效应的微观解释和应用过程中的两个定性关系中我曾提出可以归结到微观粒子由于分子热运动所形成的碰撞上,下面以硫酸亚铁为例来具体讨论这个问题。

一、溶液中的状态

  在一个盛着硫酸亚铁的容器中,放置两个铁电极并相隔一定的距离,并且两个电极用电流表相连。在其中一个电极附近放置一个磁场,那么电流表则会有电流通过的指示。这就是磁场的电化学效应。

    1、溶液的构成

  在硫酸亚铁溶液中,会存在如下几种离子:Fe(一价、二价、三价)、H(一价)、H3O(一价)、OH(负一价)、SO4(负二价)以及中性的水分子。在溶液中不停的碰撞进行分子热运动。

    2、溶液中离子的分布状态

  由于铁具有导磁性能,那么在磁场附近的电极上则会产生一个磁场源,它会对溶液中的铁离子产生引力的作用,使磁场电极附近的铁离子浓度大于溶液的平均铁离子浓度。这导致磁场电极附近的正电荷浓度大于溶液的平均正离子浓度。关于正离子,溶液中还存在H、H3O两种一价的正离子,由于磁场不能对它们产生引力的作用,因此在溶液中可以看作均匀分散的,与磁场无关。

  3、溶液中动态的离子分布状态

   溶液中动态的离子分布状态主要是由电极的磁场和电场的作用所形成。

   (1)磁场电极附近离子的动态平衡

   我们知道,在携带磁场的电极附近,由于电极磁场的作用,会使这个电极周围的铁离子的密度大于溶液中的平均离子密度,和这个磁场电极相互碰撞的离子铁离子相对来说较多,那么在铁离子和铁电极碰撞的过程中,铁离子会从铁电极上获得电子,如果一个铁离子和铁电极碰撞的过程中从铁电极上获得两个电子,那么铁离子则会变成铁原子,并被磁场电极所吸收。同时是铁电极获得两个单位的正电荷。这样的话,大量的铁离子和在这个铁电极的碰撞会使铁电极产生大量的正电荷。大家知道其结果是在这个铁电极上产生一个正电场。这个正电场同样会对溶液中的负离子产生电场力,并使磁场铁电极附近的负离子增多。当磁场和电场对离子的两种作用相互抵消的时候,那么则在磁场电极的附近产生一种离子分布的平衡状态。此时,磁场电极附近的正负离子达到一种平衡。正负离子的密度分布则是均匀的了。

   磁场的电化学效应就在于不断的打破这种平衡,将磁场电极上的正电荷转移到其它的地方(另一个电极上),那么这样的结果则形成溶液中的铁离子不断的向磁场电极靠拢,被磁场电极吸附。从而形成一个持续的电流。

  (2)没有磁场电极附近离子的动态平衡

    由于磁场电极和没有磁场的电极是通过到线相连的,那么当磁场电极产生一个正电场的时候,磁场电极上的正电荷密度大于负电荷密度(负电荷是铁电极中的电子),那么通过导线,则将这种正电荷密度传递到没有磁场的电极上,这一点是通过电子之间的库伦力来实现的。这样也同时在没有磁场电极的铁电极上建立一个正电场。通过电场力的作用,它同样也会使这个铁电极附近的负离子的密度增加。那么,通过负离子和没有磁场的铁电极的碰撞,将铁原子以离子的形式从铁电极上分离出去,从而减少电极上的正电荷。这样,使电极上的铁以铁离子的形式溶解到溶液中。

    这样,不但在溶液中形成一种稳定的铁离子定向移动,同时也会使导线上产生一个稳定的电流。

二、磁场的电化学效应中的能量状况

    只要我们在硫酸亚铁的溶液中放置两个电极,并且在其中一个电极的上方放置一个永久磁体,那么我们似乎就可以永远地得到电流了,这似乎和传统中所说的永动机是相似的。似乎在产生电流的过程中不需要外来的能量。对这个问题在没有详细地分析之前,我也是这末认为的。但是稍作分析,就看出不需要能量是不可能的。铁离子到铁原子或者铁原子到铁离子这是化学过程,下面首先我们先来看看化学反应的条件。

   1、化学物质发生化学反应的条件  

   除了一号元素氢原子外,其它元素的原子都会在原子核的外围布满了电子,当然这也包括离子。当两个原子自由的接近到一定距离的地方,它们会被外层电子的电场作用排斥开。这样的一种结论是通过客观事实进行检验的。主要是通过如下的客观事实:

   (1)任何两种化学物质的化学反应都需要确定的温度。

    任何的化学燃料在燃烧的过程中都需要确定的温度。在进一步推广,任何两种化学物质的化学反应都需要确定的温度。这决定了下一个结论:

   (2)任何两种化学物质在接近绝对零度的条件下,不会发生任何的化学反应。

    通过这样的条件,我们可以将最危险的两种化学物质放置到一起,或者进行存储。

    正是由于物质的最外层都是电子,两种物质分子或者原子在相距到一定距离的时候,它们之间都会产生排斥力。根据库仑定律,我们可以很轻松地得到这样的结论。

    这说明化学反应需要最初的动量,这个动量的上限是两种物质原子在接触的过程中必须打破核外电子的稳定分布状态。两种化学物质才有可能发生化学反应。如果在化学物质相互接触的过程中打破了核外电子的稳定分布状态,那么两种化学物质会发生强烈的相互作用,这个相互作用是由原子核和电子的电场所提供。如果在这种作用过程中,存在一种稳定的作用状态,并且化学物质分子的原子发生结构的改变,比如交换原子、分子中的原子发生数量或者结构的变化。那么,就产生了新的化学物质。

    但是,如果没有最初的原动量,那么这种化学过程是不会发生的。顺便说一下,促使化学反应发生的可以是光、射线等其它的外界条件,但这些外界条件的作用最终会使化学物质分子的动量增加,直接反映的条件仍然是物质分子的动量。通常,我们把这改变物质状态的量统统称之为能量。

   2、磁场的电化学效应中维持电流的能量

    在磁场的电化学效应中,铁原子转变为铁离子也需要这种使离子或者原子的结构状态发生改变的动量(或者说能量)。我们稍微估算一下就会发现,导致铁原子转化为铁离子的能量不是来自于磁场。我们只要计算一下铁原子和铁离子之间发生转变需要的相对动量有多大,以及磁场在离子碰撞的自由程里所给于铁离子的增加的动量有多大就行了。有点科学常识的人都可以得到,使铁离子增加的速度连千分之一米每秒或者万分之一米每秒都达不到,导致磁场的电化学效应的能量一定不是来自于磁场。我们需要计算一下铁原子和铁离子之间发生变化的能量平衡,以判断这种过程是否不需要能量。

    在磁场的电化学效应中,导致磁场的电化学反应主要来自于两种过程。一种过程是铁离子和磁场电极碰撞的吸附过程,另一种是不带磁场电极中的铁原子以离子的形式扩散到溶液的过程,我们只要考察这两种过程的能量变化就可以了。

   (1)铁离子和磁场电极碰撞的吸附过程的能量变化

   磁场电极上的铁原子在原子的平衡位置震动,铁离子和铁原子的碰撞,其结果只有铁离子经碰撞后由于强烈的相互作用并吸附到铁原子上,由于这种过程伴随着铁离子中的正电荷转移到铁电极上,是原子势能的破坏。并且铁离子变为原子在平衡位置震动。这种碰撞是一种非弹性碰撞,其结果是要吸热的。(可参见动量定律在化学过程中的一个应用规律 )

   (2)不带磁场电极中的铁原子以离子的形式扩散到溶液的过程的能量变化

  前面我们已经有不带磁场电极上携带正电荷的结论,那么电极的周围的溶液中会由于电场力的作用而聚集负离子,负离子的密度要大于正离子的密度。相对来说,负离子和没有磁场的电极的碰撞几率要大于正离子和电极的碰撞。

  我们知道,负离子携带多余的电子,经过和电极的碰撞是否会将这多余的电子转移到电极上并且和电极上的正电荷中和呢?在硫酸亚铁溶液中,主要存在OH(负一价)、SO4(负二价)的离子,这两种负离子的结构都是稳定的,它不能将自身的电子转移到电极上,反而会和铁电极上的铁原子产生强烈的相互作用,其作用的结果是使铁原子携带电荷。OH(负一价)和铁电极碰撞会使铁原子上携带一个正电荷,SO4(负二价)和铁电极碰撞会使铁原子上携带两个正电荷,在碰撞的瞬时会形成一种较为稳定的结构。参加碰撞的铁原子会因此降低和电极上的铁原子的作用,另一方面,碰撞的离子的表面是电子在和其它的铁原子接近到一定距离的时候会产生斥力的作用(可以看作原子势能),这样铁原子就会被负离子拉出铁电极表面。从这个过程来看,一价的负离子和铁电极的碰撞会拉出一价的铁离子,二价的负离子和铁电极的碰撞会拉出二价的铁离子。在溶液中,由于二价的负离子受到电场的作用力要大一些,那么聚集在电极周围的负离子,二价的负离子要远大于一价的负离子,因此从电极上打出的主要是二价的铁离子。

  在负离子拉出铁离子的表现为能量的过程中,主要有两个过程,分别是化合过程、和电极分离的过程。

  化合过程就是负离子和铁原子碰撞发生相互作用并且成为一个粒子的过程。根据如果分子间通过碰撞而结合成一个分子,那么,根据动量定律,这一过程必然是吸热过程。(动量定律在化学过程中的一个应用规律),必然是吸热过程。

  和电极分离的过程就是负离子和铁离子以结合状态离开电极的过程。电极的铁原子震动的方向采用统计的方法可以认为是各向同性,那么在统计上,可以将铁原子的在平衡位置的运动速度当作零处理。那么负离子的动量完全转化为原子势能,负离子和铁离子离开铁电极的时的动量等于负离子碰撞前的动量。那么这显然是一种吸热过程。

  如下的问题不能确定:负离子和铁离子结合状态,在溶液中的粒子间相互碰撞情况下,必然会分离。这种分离过程以及碰撞的粒子间的能量问题,完全由碰撞的具体情况所决定。但多数情况下会是一种放热过程。目前我没有更好的统计方法,只能是估算吧。

  根据如上对离子和两个电极的碰撞过程的分析,那么我们可以得到,磁场的电化学效应不会是无缘无故的得到电流,而是利用的溶液分子的分子热运动。其趋势是使溶液的温度降低。

  三、磁场的电化学效应中的几个关系

  1、和磁极的磁场强度有关的几个关系

   第一、磁场强度和电路的关系。在前面我们已经讨论过这个问题,磁场强度直接决定磁场电极附近的铁离子的密度,因此也决定单位时间吸附到磁场电极上的正电荷数量。

    因此,磁场的强度越大同两个磁极的电压也越大。同时和导线中的电流强度同样越大。请注意,不一定成正比。(我想可以看作近似正比)下面要说明。

   第二、磁场强度和溶液溶液中离子分布状态的关系。当磁场电极的磁场强度越大时,聚集在磁场电极上的正电荷数量越多,这无疑在磁场电极上建立一个正电场。这个正电场要吸引溶液中的负离子来聚集到磁场电极的周围,使负粒子的密度也同时增加。前面我们已经讨论过,负离子可以从磁场电极上打出铁离子。主要是二价的铁离子。铁离子和磁场电极碰撞,会再次吸附到铁电极上。磁场强度的增加会加快铁离子和铁原子转换。加快循环。

   第三、磁场强度和电流消耗热能的关系。磁场强度的增加会加快铁离子和铁原子转换。在前面已经说明了铁离子和铁原子在碰撞过程中能量消耗的关系,两种过程总体上可以看作吸热过程。那么磁场强度的增加,会使吸热过程加剧。换句话说,溶液损耗能量越快。

   第四、磁场强度的增加会导致磁场电极上附近的负离子密度增加,那么相对来说,一价负离子和电极的碰撞数量要增加,那么磁场强度的增加会导致一价铁离子数量的增加。

   2、铁离子的种类

   两个二价铁离子的碰撞,在绝大部分情况下是弹性碰撞,但是在极个别的情况下,两价铁离子的相互碰撞会产生一价铁离子和三价铁离子。相反,一价铁离子和三价铁离子的碰撞却在百分之百的情况下,形成两个二价铁离子。

  3、溶液的温度和磁场的电化学效应的关系

   第一、溶液的温度是溶液微观粒子的运动速度的一种表示的量。温度的升高会使微粒的运动速度加快。同时提高离子的扩散速度。温度的升高会增加铁离子的吸附过程。

   这样可以使两个电极间的电流强度增加。

   第二、溶液温度的增加也会提高一价铁离子和三价铁离子出现的几率。这是由单位时间内的碰撞增加导致的几率增加所决定。

[注:本文主要为了解释磁场的电化学反应的过程,对于本文后面的几个关系并不是严格的。另一方面,本文的观点完全来自于对物质运动模式的分析,在定性与定量上,采用定性的方法得出的结论存在错误的可能。另外,关于一价铁离子和三价铁离子所出现的可能性仅仅凭借于对运动形式分析的直觉。这一点是没有经过实验检验的]

2002年5月31日


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