Lorentzova sila bez baterije
Lorentzova sila može se učiniti vidljivom i bez baterije ako promatrate putanju obojenih iona u elektrolitu galvanske ćelije koja se nalazi u magnetskom polju. Ova slika nastala je u kafiću Instituta za fiziku 2009. godine, a pokus je priredio i pokazivao Hrvoje Mesić.
Galvanska ćelija na slici sastoji se od cinkove i bakrene elektrode koje su uronjene u blagu otopinu klorovodične kiseline, tako da u vodenoj otopini postoje negativni ioni klora Cl ̶ i pozitivni ioni vodika H+. Oni igraju važnu ulogu u prijenosu naboja kroz elektrolit. Ako u elektrolit dodamo zrnce hipermangana KMnO4, njegovim otapanjem nastaju pozitivbi ioni K+ i negativni MnO4 ̶. Negativni ioni MnO4 ̶ putuju prema cinkovoj elektrodi gdje postoji višak pozitivnog naboja otopljenih cinkovih iona. Pritom ostavljaju ljubičasti trag, koji možemo pratiti. Ako iznad zrnca stavimo jaki neodimijski magnet, zbog djelovanja Lorentzove sile. tragovi poprimaju oblik kružnice. Na kraju, dobro je nešto reći o pricipu rada galvanske ćelije jer to se gradivo često, u širokom luku, izbjegava i u fizici i u kemiji.
Na cinkovoj elektrodi (anodi) procesom oksidacije cink se otapa tako da u otopinu ulaze pozitivni ioni cinka, ali ne i elektroni koji ostaju na elektrodi:
Zn(s) → Zn2+(aq) + 2e ̶
(Napomena: u formulama (s) znači solid – kruta tvar, (aq) aqueous – ion u vodi, a (g) gas plin)
Ti elektroni prolaze kroz vanjski dio strujnog kruga (vodič) i prelaze na bakrenu elektrodu. Na bakrenoj elektrodi (katodi) se ne otapa bakar, nego se elektroni pristigli kroz vanjski strujni krug spajaju s vodikovim ionima H+ iz otopine pa vrijedi:
2H+(aq) + 2e ̶ → H2.
Pritom se oslobađa plinoviti vodik, zbog čega na bakarnoj elektrodi vidimo mjehuriće.
Ioni klorovodične kiseline omogućuju zatvaranje strujnog kruga kroz elektrolit. Kationi H+ difundiraju prema katodi gdje se reduciraju, dok anioni Cl- migriraju prema anodi kako bi neutralizirali višak pozitivnog naboja koji tamo nastaje uslijed otapanja cinka. Tako se u otopini uspostavlja i ravnoteža naboja: Zn2+ se širi od anode u otopinu, H+ se reducira na katodi, a ioni Cl- neutraliziraju višak pozitivnog naboja uz anodu. Ukupna reakcija ćelije može se zapisati kao:
Zn(s) + 2HCl(aq) → ZnCl2(aq) + H2(g).
Ova reakcija se ne odvija preko elektrona koji prelaze direktno s atoma na atom nego preko elektrona koji s atoma na atom prelaze putujući kroz vanjski strujni krug te tako mogu obavljati rad. Na taj način se elektroni kreću kroz vodič, ioni kroz elektrolit, a cjelokupni sustav radi kao izvor električne energije.
