§ 45. Электрический ток в различных средах

Определения и обозначения

Электрический ток — направленное движение заряженных частиц. Он существует, если в среде есть свободные носители заряда и действует электрическое поле, заставляющее их двигаться упорядоченно. За направление тока принимают направление движения положительных зарядов.

Носители заряда — частицы, движение которых создаёт ток в данной среде. Ими могут быть электроны, положительные и отрицательные ионы, а в полупроводниках также дырки — условные положительные носители. Это понятие помогает определить, как именно переносится заряд.

Электролитическая диссоциация — распад молекул электролита на положительные и отрицательные ионы в растворе или расплаве. Например, поваренная соль в воде образует ионы Na⁺ и Cl⁻. Благодаря этому раствор получает свободные частицы, способные переносить заряд.

Электролиз — химическое действие тока, при котором на электродах выделяются вещества или изменяется состав электродов и раствора. Ионы движутся к противоположно заряженным электродам и участвуют там в реакциях. Электролиз используют, например, для получения и очистки металлов.

Как это устроено

Свободных зарядов недостаточно для возникновения тока: без электрического поля их тепловое движение хаотично, и средний перенос заряда равен нулю. Поле создаёт направленную составляющую движения, поэтому через поперечное сечение проводника проходит заряд. Если носители связаны с атомами и не могут перемещаться, ток в обычных условиях невозможен.

В металлах ток переносят свободные электроны, а положительные ионы остаются в узлах кристаллической решётки. В электролитах движутся катионы и анионы, причём они направляются к противоположным электродам. В газах заряд переносят электроны и ионы, в вакууме — электроны, испускаемые катодом, а в полупроводниках — электроны и дырки.

В металлическом проводнике электроны сталкиваются с ионами решётки и передают им часть энергии электрического поля. Поэтому проводник нагревается, но сами частицы решётки не покидают металл и новых веществ не образуется. Химический состав металла не меняется, если не учитывать возможные внешние процессы, например окисление поверхности.

Растворение или плавление электролита ослабляет связи между его частицами, и молекулы распадаются на ионы. В электрическом поле катионы движутся к катоду, анионы — к аноду; на электродах они принимают или отдают электроны. Такие реакции изменяют состав веществ, поэтому ток в электролите сопровождается электролизом.

Газ сам по себе обычно содержит мало свободных носителей, поэтому для начала тока нужна ионизация — образование электронов и ионов. При несамостоятельном разряде её обеспечивает внешний источник, например ультрафиолет или нагрев, и после его удаления ток прекращается. При самостоятельном разряде быстрые электроны и ионы вызывают новые столкновения и ионизацию, поддерживая разряд внутренними процессами.

Электрический ток в различных средах

Сначала определите среду, затем найдите её носители заряда и условие, при котором они становятся направленно движущимися. Последний столбец показывает, какое свойство проводимости используется на практике.

Разбор задач

Носители и направление движения

Условие: укажите носители заряда и направление их движения в медном проводнике, водном растворе поваренной соли и ионизированном газе.

1. В меди носителями являются свободные электроны. Они движутся от отрицательного полюса к положительному, то есть противоположно направлению тока.
2. В растворе соли катионы Na⁺ движутся к катоду, а анионы Cl⁻ — к аноду. Движение положительных ионов совпадает с направлением тока, а движение отрицательных ему противоположно.
3. В ионизированном газе электроны движутся к положительному электроду, положительные ионы — к отрицательному, а отрицательные ионы — к положительному. Суммарный ток направлен так, как переносился бы положительным зарядом.

Ответ: в меди ток создают электроны, в растворе — ионы, в газе — электроны и ионы; направление для отрицательных носителей противоположно направлению тока.

Масса меди при электролизе

Условие: через раствор соли меди прошёл заряд Q. Найдите массу меди, выделившейся на катоде; молярная масса меди равна M, в реакции участвуют n электронов.

1. Запишите закон электролиза: m = M Q/(nF), где F — постоянная Фарадея.
2. Для иона Cu²⁺ два электрона необходимы для превращения в атом меди, поэтому n = 2.
3. Подставьте данные задачи: m = M Q/(2F). Если заряд дан как Q = It, сначала вычислите произведение силы тока на время.

Ответ: масса выделившейся меди равна m = M Q/(2F), а при известных I и t — m = MIt/(2F).

Почему прекращается газовый разряд

Условие: объясните, почему после удаления источника ионизации разряд в одном случае прекращается, а в другом продолжается.

1. Если ток поддерживался только внешним излучением или нагреванием, после его удаления новые носители почти не возникают. Электроны и ионы рекомбинируют, поэтому это несамостоятельный разряд.
2. При достаточно сильном поле частицы разгоняются и ионизируют молекулы при столкновениях. Возникают новые носители, и процесс поддерживает сам себя.
3. Такой режим называют самостоятельным разрядом: внешний ионизатор больше не нужен, хотя для его возникновения требуется подходящее напряжение и достаточная концентрация газа.

Ответ: различие определяется источником ионизации: внешний источник нужен для несамостоятельного разряда, а самостоятельный поддерживается столкновительной ионизацией внутри газа.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что во всех средах ток создают только электроны. Так думают из-за привычного примера металлического провода, но в электролитах движутся ионы, а в газах — ионы и электроны. Проверка: сначала назовите среду, затем перечислите её свободные носители.

Ошибка: путать направление тока с движением электронов в металле. Электрон отрицателен, поэтому его движение противоположно условному направлению тока. Проверка: представьте движение положительного заряда — именно оно задаёт направление тока.

Ошибка: сводить электролиз к нагреванию раствора. Нагрев может сопутствовать току, но главным признаком электролиза являются химические реакции и выделение веществ на электродах. Проверка: ищите изменение состава раствора или электродов.

Ошибка: смешивать ионизацию газа с газовым разрядом. Ионизация только создаёт свободные носители, а разряд — их направленное движение в поле. Проверка: ответьте отдельно, откуда появились носители и что заставило их двигаться.

Связь с другими темами

Для темы нужны знания об электрическом поле, силе тока, напряжении, сопротивлении и законе Ома для участка цепи. Эти понятия позволяют описывать движение зарядов количественно.

Тема объясняет работу источников тока, электролизёров, вакуумных приборов, газоразрядных ламп и полупроводниковых устройств. Она связана с окислительно-восстановительными реакциями, строением вещества и энергетическими зонами полупроводников.

Что запомнить

• Электрический ток — направленное движение заряженных частиц.
• В металлах ток создают свободные электроны.
• В электролитах ток создают положительные и отрицательные ионы.
• Ток в электролитах сопровождается электролизом.
• В газах ток возможен при наличии свободных электронов и ионов.
• В вакууме ток возникает благодаря электронам, вылетевшим из катода.
• Электропроводность полупроводников зависит от температуры, освещения и примесей.