2. Носители электрического заряда

Определения и обозначения

Носители электрического заряда — частицы, способные перемещаться в веществе и переносить электрический заряд. Само наличие заряда ещё не гарантирует ток: частица должна иметь возможность двигаться. Это понятие помогает определить, какие именно частицы участвуют в проводимости разных сред.

Свободные электроны — электроны, не связанные с отдельными атомами и участвующие в проводимости металлов. Они могут перемещаться по всему металлическому телу, а не оставаться около одного атома. Благодаря этому металл проводит ток без переноса самих атомов.

Ионы — положительно или отрицательно заряженные атомы либо молекулы, перемещающиеся в растворах, расплавах и газах. Заряд возникает, когда атом или молекула теряет либо присоединяет электроны. Это определение нужно, чтобы различать перенос заряда электронами и перенос заряда веществом в виде ионов.

Дырка — вакантное место в электронной структуре полупроводника, ведущее себя как носитель положительного заряда. Это не отдельная материальная частица: дырка обозначает отсутствие электрона в определённом месте. Понятие позволяет описывать проводимость полупроводника вместе с движением электронов.

Как это устроено

Электрический ток — упорядоченное движение заряженных частиц. Если носители свободны, но движутся только хаотически, их перемещения в среднем компенсируют друг друга и направленного переноса заряда нет. Электрическое поле заставляет носители смещаться преимущественно в одну сторону, поэтому появляется ток.

В металлах атомы образуют упорядоченную структуру, а часть электронов может перемещаться между ними. Без внешнего поля эти электроны движутся хаотически, сталкиваясь с частицами металла. Поле не прекращает хаотическое движение, а добавляет к нему небольшое направленное смещение; именно оно и создаёт ток.

В электролитах — растворах и расплавах, проводящих электричество, — заряженными частицами служат ионы. Поле направляет положительные ионы к отрицательному электроду, а отрицательные — к положительному. Они движутся навстречу друг другу, и оба потока переносят заряд, хотя направления движения ионов противоположны.

В обычном газе большая часть атомов и молекул нейтральна и потому не переносит заряд под действием поля. При ионизации часть частиц превращается в ионы, а также появляются свободные электроны; теперь поле может направленно перемещать их. При рекомбинации электроны соединяются с ионами и образуют нейтральные частицы, поэтому число носителей уменьшается.

В полупроводнике электроны могут переходить в состояния, где способны перемещаться по веществу, оставляя после себя дырки. При переносе соседних электронов пустое место как бы перемещается в противоположную сторону, поэтому его удобно считать положительным носителем. Нагревание и примеси способны менять количество свободных электронов и дырок, а значит, и проводимость полупроводника.

Носители электрического заряда в различных средах

Чтобы определить носители, сначала выясните, из каких частиц состоит среда и какие из них могут свободно двигаться. Затем учитывайте знак заряда: он задаёт направление движения относительно поля. В таблице видно, что один и тот же ток в разных средах связан с разными частицами.

Разбор задач

Какие частицы переносят заряд?

Условие. Определите носители заряда в медном проводе, растворе поваренной соли и ионизированном газе. Здесь не нужно вычислять силу тока: требуется соотнести каждую среду с её подвижными заряженными частицами. Для этого рассмотрим, какие частицы в ней могут перемещаться.

1. Медь — металл, поэтому в проводе могут перемещаться свободные электроны. Положительные атомные остатки образуют структуру металла и не перемещаются по проводу как носители тока. Значит, заряд в медном проводе переносят электроны.

2. Раствор соли относится к электролитам. Соль в растворе распадается на положительные и отрицательные ионы, которые способны двигаться под действием поля. Следовательно, ток в растворе создают ионы обоих знаков.

3. Ионизированный газ содержит заряженные частицы, образовавшиеся из нейтральных атомов или молекул. Это свободные электроны и ионы; поле направляет их в разные стороны. Поэтому в газе заряд переносят электроны и ионы.

Ответ. В медном проводе носители — свободные электроны, в растворе соли — положительные и отрицательные ионы, в ионизированном газе — электроны и ионы. Такой разбор полезен всякий раз, когда нужно определить носителей по названию среды. Не следует переносить ответ для металла на электролит или газ.

Как движутся электроны и ток?

Условие. Металлический проводник подключён к источнику; нужно сравнить направление движения электронов с условным направлением тока. Направление тока в физике задаётся соглашением, а не фактическим движением электронов. Поэтому сначала учитываем знак носителя.

1. В металле движущимися носителями являются электроны. Каждый электрон имеет отрицательный заряд, поэтому поле направляет его движение противоположно тому, которое принято за направление тока. Знак носителя здесь решает, совпадают ли направления.

2. Условное направление тока определяют как направление движения положительных зарядов. Если положительные заряды в данной ситуации двигались бы в одну сторону, электроны перемещаются в другую. Это правило сохраняет смысл и тогда, когда ток создают отрицательные носители.

3. Сравните полученные направления: дрейф электронов противоположен условному направлению тока. Не путайте это с направлением электрического поля внутри участка цепи, которое задаётся полярностью источника. Для ответа достаточно помнить знак заряда электронов и принятое правило.

Ответ. Электроны в металлическом проводнике движутся против условного направления электрического тока. Ток направлен так, как двигались бы положительные заряды. Это различие не означает, что ошибочно выбрано одно из направлений: речь идёт о двух разных соглашениях и движениях.

Что произойдёт с проводимостью полупроводника при нагревании?

Условие. Нужно определить, как меняется проводимость полупроводника при повышении температуры, и назвать роль электронов и дырок. Для этого проследим, что нагревание делает с числом подвижных носителей. Сравнивать следует проводимость одного и того же полупроводника при разных температурах.

1. В полупроводнике часть электронов при получении энергии может перейти в подвижное состояние. Электрон становится носителем, а оставленное им свободное место описывают как дырку. Поэтому появляются сразу два типа носителей, способных участвовать в токе.

2. При повышении температуры обычно возрастает число электронов и дырок, доступных для направленного движения. Электроны переносят отрицательный заряд, а дырки учитывают как носители положительного заряда. В поле они дрейфуют в противоположные стороны, но оба движения создают ток.

3. Чем больше подвижных носителей, тем больше заряд может переноситься при действии поля. Поэтому для полупроводника при нагревании обычно ожидают увеличение проводимости. Этот вывод относится к обычным условиям и не отменяет влияния примесей и свойств конкретного материала.

Ответ. При повышении температуры проводимость полупроводника обычно возрастает, потому что увеличивается концентрация электронов и дырок. Электроны и дырки вносят вклад в перенос заряда одновременно. Дырка при этом не становится настоящей положительно заряженной частицей: это удобная модель движения незаполненного места.

Типичные ошибки

Считать, что ток всегда переносят электроны. Так думают, потому что электроны — привычные носители в металлических проводах. Но в электролитах заряд переносят ионы, а в газах могут участвовать и электроны, и ионы. Проверьте себя: назовите среду и только потом определяйте её носители.

Путать движение электронов с направлением тока. Это происходит потому, что в металле именно электроны переносят заряд, и их движение кажется естественным направлением тока. Однако направление тока условно совпадает с движением положительных зарядов. Проверка проста: если носитель отрицательный, его движение противоположно направлению тока.

Называть ионы нейтральными атомами или молекулами. Ошибка возникает, когда забывают, что после потери или присоединения электронов частица приобретает заряд. Нейтральный атом сам по себе не является ионом. Чтобы проверить ответ, укажите, какой заряд у частицы и за счёт чего он появился.

Считать дырку самостоятельной частицей. Такое представление удобно для расчётов, но дырка означает отсутствие электрона в структуре полупроводника. Она ведёт себя как положительный носитель, хотя отдельного тела с таким зарядом нет. Проверяя себя, объясните дырку через перемещение электронов между соседними местами.

Связь с другими темами

Для изучения носителей нужно знать строение атома, различать положительный и отрицательный заряды и понимать, что электрическое поле действует на заряд. Эти знания помогают объяснить, почему ток представляет собой направленное движение частиц. Тема связывает свойства вещества с проводимостью металлов, электролитов, газов и полупроводников.

Понимание носителей понадобится при изучении закона Ома и электрических цепей: ток в цепи возникает благодаря движению зарядов. Оно также помогает разобраться в работе полупроводниковых приборов и в электрохимических процессах, где заряды переносятся электронами либо ионами. При сравнении сред важно каждый раз учитывать вид носителей и их подвижность.

Что запомнить

• Электрический ток возможен при наличии свободных носителей заряда.
• В металлах основными носителями являются свободные электроны.
• В электролитах ток создают положительные и отрицательные ионы.
• В ионизированных газах ток переносят электроны и ионы.
• В полупроводниках носителями являются электроны и дырки.
• Направление тока совпадает с движением положительных зарядов и противоположно движению электронов.
• Чем больше концентрация и подвижность носителей, тем выше проводимость среды.