"Физика", Андрюшечкин С.М.
Электрический ток — упорядоченное движение заряженных частиц, но в разных веществах эти частицы неодинаковы. В металлах заряд переносят свободные электроны, в растворах и расплавах — положительные и отрицательные ионы, а газ проводит ток, когда в нём появляются свободные заряженные частицы. Из-за различия носителей ток по-разному действует на вещество: в электролите происходят химические изменения, а в металлическом проводнике обычно наблюдается нагрев.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Электрический ток в металлах — направленное движение свободных электронов. Электроны — отрицательно заряженные частицы, которые могут перемещаться между узлами металлической кристаллической решётки. Это определение помогает понять, почему в металлическом проводе ток возникает без переноса самих частиц металла.
Электролит — раствор или расплав, в котором есть свободные положительные и отрицательные ионы, способные переносить заряд. Ионы — заряженные атомы или группы атомов; положительные называют катионами, отрицательные — анионами. Понятие электролита нужно, чтобы отличать проводящий раствор от металла: в нём перемещаются не свободные электроны, а ионы.
Электролиз — выделение вещества на электродах при прохождении тока через электролит. Электроды — проводники, через которые ток входит в раствор или выходит из него. Это явление показывает, что ток может не только нагревать вещество, но и вызывать в нём химические изменения.
Газовый разряд — прохождение электрического тока через газ при наличии в нём свободных заряженных частиц. Такими частицами могут быть электроны и ионы, которые перемещаются под действием электрического поля. Это понятие объясняет, почему газ, обычно плохо проводящий ток, способен проводить его после ионизации.
В металле часть электронов слабо связана с отдельными атомами и может свободно перемещаться по всему проводнику. Без электрического поля электроны движутся хаотично, поэтому их перемещения не создают общего потока заряда. Когда поле появляется, оно придаёт их движению упорядоченное направление. Ионы решётки при этом лишь колеблются около своих мест, потому что связи удерживают их в структуре металла.
Растворы некоторых веществ и их расплавы содержат ионы, которые могут перемещаться. Электрическое поле притягивает положительные катионы к отрицательному электроду — катоду, а отрицательные анионы — к положительному электроду, аноду. Их движения в противоположные стороны всё равно дают перенос заряда в цепи. Поэтому в электролите ток связан с движением частиц обоих знаков.
У электродов ионы вступают в химические реакции: одни получают электроны, другие отдают их. После этого образуются нейтральные атомы или новые вещества, которые могут оседать на электроде либо выделяться рядом с ним. Так происходит электролиз, то есть химическое действие тока в электролите. Его используют для нанесения тонких металлических покрытий, очистки металлов и получения некоторых веществ.
В обычном газе большинство частиц электрически нейтрально и не может переносить заряд через весь промежуток. Поэтому газ почти не проводит ток, пока в нём мало свободных электронов и ионов. Ионизация — появление заряженных частиц при отделении электронов от атомов или молекул — может происходить, например, при сильном нагревании или действии излучения. Поле приводит появившиеся частицы в движение, и возникает газовый разряд.
Во всех трёх средах ток означает перенос заряда, но носители различаются: в металле это электроны, в электролите — ионы, в газе — электроны и ионы. Свободные электроны в металле не перемещают атомы вещества и обычно не меняют его химический состав, хотя проводник может нагреваться. Ионы электролита взаимодействуют с электродами, поэтому состав вещества меняется. В газе проводимость появляется благодаря ионизации, а характерные изменения зависят от условий разряда.
| Свойство | Металлы | Электролиты | Газы |
|---|---|---|---|
| Носители заряда | Свободные электроны | Положительные и отрицательные ионы | Электроны и ионы |
| Направление движения носителей | Электроны движутся против условного направления тока | Катионы — к катоду, анионы — к аноду | Электроны и ионы движутся под действием поля |
| Что происходит с веществом при прохождении тока | Обычно проводник нагревается, химический состав не меняется | Возможны химические превращения и выделение веществ на электродах | Возникает разряд; могут наблюдаться нагревание и свечение |
| Условия возникновения или поддержания тока | Наличие свободных электронов и электрического поля | Наличие подвижных ионов и электрического поля | Наличие свободных заряженных частиц, например после ионизации |
| Примеры применения | Провода и электрические цепи | Покрытие металлов, очистка и получение веществ | Газоразрядные лампы и электрическая сварка |
Сравнивайте среды по строкам: так проще увидеть, как меняются носители, условия проводимости и действие тока. Если нужно объяснить конкретное явление, сначала найдите носители заряда, а затем проверьте, как они взаимодействуют с веществом.
В металлическом проводнике ток равен 2 А и проходит 3 минуты. Нужно определить заряд, прошедший через поперечное сечение проводника. Используем связь силы тока, заряда и времени: q = It. Перед вычислением переведём минуты в секунды, потому что сила тока задана в амперах.
Ответ: через поперечное сечение прошёл заряд 360 Кл. Такой же способ подходит для любой среды, если известны сила тока и время. Тип носителей нужен для объяснения физического процесса, но не меняет формулу q = It.
При электролизе через раствор за 10 минут прошёл заряд 600 Кл. Найдём силу тока и назовём частицы, которые переносят заряд в растворе. Из формулы q = It выразим силу тока: I = q/t. Сначала переведём минуты в секунды, чтобы получить ответ в амперах.
Ответ: сила тока равна 1 А, заряд в растворе переносят положительные и отрицательные ионы. Не следует путать раствор с металлическими проводами, соединяющими его с источником. В растворе движутся ионы, а в проводах ток переносится электронами.
Ток 0,5 А проходит 4 минуты через металлический проводник и электролит. Нужно найти заряд в каждом случае и сравнить действие тока. Поскольку сила тока и время одинаковы, величина перенесённого заряда в обоих случаях будет одинаковой. Различаться будут носители и возможные изменения вещества.
Ответ: через каждую среду проходит заряд 120 Кл. В металлическом проводнике обычно происходит нагревание, а в электролите на электродах возможны химические превращения и выделение вещества. Равный заряд не означает, что в обоих случаях движутся одинаковые частицы или одинаково изменяется вещество.
Ошибка — считать, что в металле ток переносят положительные ионы. Так могут подумать, потому что в кристалле есть положительные частицы, но ионы решётки остаются на местах и только колеблются. Проверьте себя вопросом: какие частицы могут свободно перемещаться по металлическому проводнику? Это электроны.
Электроны движутся противоположно условному направлению тока, поэтому нельзя смешивать эти направления. Путаница возникает из-за того, что само название «направление тока» не означает направление движения электронов. Для проверки изобразите стрелку условного тока и направьте движение электронов в обратную сторону.
В электролите заряд переносят не только электроны, а положительные и отрицательные ионы. Ошибка появляется, если переносить представление о металлическом проводе на раствор. Уточните, в какой именно части цепи рассматривается ток: в растворе движутся ионы, а в металлических проводах — электроны.
Электролиз — не любое нагревание проводника, а химические превращения при прохождении тока через электролит. Его могут путать с нагревом, потому что оба эффекта связаны с током и способны происходить одновременно. Проверьте, появляются ли на электродах новые вещества: их выделение указывает на электролиз.
Для изучения тока в разных средах нужны понятия электрического тока, силы тока, заряда и электрического поля. Представления об атомах, молекулах, ионах и свободных электронах помогают объяснить, какие частицы движутся в каждой среде. Эти знания связывают физику с химией и пригодятся при изучении химического действия тока, электролиза и применения электричества в технике.
Почему металлический проводник проводит ток, хотя в целом он электрически нейтрален?
В металле есть свободные электроны, способные перемещаться между частицами кристаллической решётки. При включении электрического поля их движение становится упорядоченным, и возникает ток. Нейтральность проводника означает, что общий положительный и отрицательный заряды уравновешены, а не то, что зарядов нет.
Какие частицы переносят ток в металле?
Ток в металле переносят свободные электроны. Положительные ионы решётки колеблются около своих мест, но не перемещаются по проводнику направленно. Электроны движутся против условного направления тока.
Почему электролит проводит ток?
В электролите — растворе или расплаве — есть подвижные положительные и отрицательные ионы. Электрическое поле заставляет их двигаться упорядоченно: катионы направляются к катоду, анионы — к аноду. Перенос заряда происходит благодаря движению обоих видов ионов.
Что происходит при электролизе и где его применяют?
При электролизе ионы на электродах получают или отдают электроны, и в результате на электродах выделяются вещества. Это химическое действие тока используют, например, для нанесения металлического покрытия и получения чистых металлов из растворов. Электролиз отличается от простого нагревания тем, что сопровождается химическими превращениями.
Почему газ обычно не проводит ток, но может стать проводником?
В обычных условиях в газе мало свободных заряженных частиц, поэтому ему нечем переносить заметный электрический заряд. При ионизации часть атомов или молекул теряет электроны, и появляются свободные электроны и ионы. Под действием электрического поля эти частицы движутся направленно, создавая газовый разряд.
Раздел 3. Ток в различных средах
