§ 60. Электрический ток в различных средах

Определения и обозначения

Электрический ток — направленное движение свободных заряженных частиц. Чтобы он существовал, в среде должны быть подвижные носители заряда и электрическое поле, которое задаёт их упорядоченное движение. Силу тока обозначают I; она показывает, какой заряд проходит через поперечное сечение проводника за единицу времени. Направление тока условно принимают таким, как двигались бы положительные заряды.

Электролит — вещество, раствор или расплав которого проводит ток благодаря движению положительных и отрицательных ионов. Положительные ионы называют катионами, отрицательные — анионами; в поле они движутся в противоположные стороны. Такое определение помогает отличить ионную проводимость от электронной, характерной для металлов. В твёрдом электролите ионы обычно не могут свободно перемещаться.

Электролиз — выделение веществ на электродах при прохождении тока через электролит. Электроды — проводники, через которые ток входит в раствор и выходит из него; на них ионы могут принимать или отдавать электроны и превращаться в нейтральные атомы либо молекулы. Поэтому электролиз связан не только с переносом заряда, но и с химическими превращениями. Его используют, например, для получения и очистки металлов.

Газовый разряд — прохождение электрического тока через ионизированный газ. Ионизация означает появление заряженных частиц из нейтральных атомов или молекул: свободных электронов и положительных ионов. Поле заставляет эти частицы двигаться и тем самым переносить заряд. Понятие газового разряда нужно, чтобы объяснить работу ламп и других приборов, в которых проводником служит газ.

Как это устроено

Ток возможен в разных средах по одной общей причине: заряженные частицы могут перемещаться, если на них действует электрическое поле. Без свободных носителей зарядов поле не создаст длительного направленного движения, а без поля движение частиц в обычной ситуации останется хаотическим. Носителями могут быть электроны или ионы, а в полупроводниках — также дырки. Поэтому для каждой среды важно выяснить, какие частицы свободны и откуда они берутся.

В металлах часть электронов слабо связана с атомами и может перемещаться по всему проводнику. При включении поля электроны получают небольшую среднюю направленную скорость, хотя их беспорядочное тепловое движение не прекращается. Именно направленная составляющая движения создаёт ток; хаотическое перемещение само по себе не переносит заряд в одну сторону. Поскольку электрон отрицателен, он движется против условного направления тока.

В растворе или расплаве электролита молекулы некоторых веществ распадаются на ионы — это называют электролитической диссоциацией. Под действием поля катионы направляются к отрицательному электроду, анионы — к положительному, поэтому ток переносят частицы обоих знаков. Достигнув электродов, ионы участвуют в химических реакциях, и на электродах выделяются вещества. Значит, ток в электролите приводит к переносу вещества и электролизу, а не только к перемещению заряда.

В обычном газе свободных заряженных частиц мало, потому что атомы и молекулы в целом нейтральны. Ионизация может возникать под действием нагревания, излучения или сильного электрического поля; появившиеся электроны и ионы начинают двигаться в поле. Быстрые электроны сталкиваются с нейтральными частицами и способны ионизировать их, создавая новые носители. Если разряд поддерживается только внешним источником ионизации, он прекращается после его удаления; при достаточной ударной и вторичной ионизации разряд может стать самостоятельным.

В вакууме почти нет частиц, которые могли бы переносить заряд, поэтому носители необходимо ввести извне. Например, нагретый металл испускает электроны — это явление называют термоэлектронной эмиссией; поле направляет электроны к аноду и создаёт ток. В полупроводнике носителями служат электроны и дырки — свободные места в связях, которые перемещаются как положительные заряды. При нагревании их становится больше, а примеси могут увеличить число носителей одного типа, поэтому проводимость зависит от температуры и состава материала.

Электрический ток в различных средах

Сравнивайте строки таблицы по носителям и их происхождению: так становится ясно, почему одинаковое электрическое поле приводит к разным процессам. Последний столбец показывает, где свойства каждой среды используют на практике.

Разбор задач

Задача 1. По металлическому проводнику с площадью поперечного сечения 1 мм² течёт ток 1,6 А. Определить среднюю скорость направленного движения электронов, если концентрация свободных электронов равна 8·10²⁸ м⁻³. Идея решения — связать ток с количеством носителей, проходящих через сечение за секунду. Используем I = enSv, где e = 1,6·10⁻¹⁹ Кл.

1. Переведём площадь в СИ: S = 1 мм² = 1·10⁻⁶ м².
2. Выразим скорость: v = I/(enS).
3. Подставим значения: v = 1,6/[1,6·10⁻¹⁹ · 8·10²⁸ · 1·10⁻⁶] = 1,25·10⁻⁴ м/с.

Ответ: средняя скорость направленного движения электронов равна 1,25·10⁻⁴ м/с. Она мала, потому что одновременно через сечение движется огромное число электронов.

Задача 2. Через раствор сульфата меди за 20 минут прошёл ток 2 А. Определить массу меди, выделившейся на катоде, если электрохимический эквивалент меди равен 0,33 мг/Кл. Сначала нужно узнать полный заряд, прошедший через раствор, а затем применить закон электролиза m = kQ. Не забудем перевести время в секунды.

1. Переведём время: t = 20·60 = 1200 с.
2. Найдём заряд: Q = It = 2·1200 = 2400 Кл.
3. Рассчитаем массу: m = kQ = 0,33·2400 = 792 мг = 0,792 г.

Ответ: на катоде выделится 792 мг, или 0,792 г, меди. Положительный результат соответствует массе вещества, осевшего на электроде за указанное время.

Задача 3. Почему ток в газоразрядной трубке прекращается после удаления источника ионизации, а в некоторых условиях разряд продолжается самостоятельно? В газе носителями служат свободные электроны и положительные ионы, которых в нейтральном газе мало. Удаление источника прекращает образование новых носителей, если поле само не поддерживает ионизацию.

1. Внешний источник излучения или нагревания создаёт электроны и ионы, а электрическое поле заставляет их двигаться.
2. Если после удаления источника носители рекомбинируют или достигают электродов, а новые не появляются, ток прекращается.
3. При достаточно сильном поле ускоренные электроны ионизируют атомы при столкновениях; вторичная ионизация также создаёт носители.

Ответ: разряд прекращается без внешней ионизации, если поле не может поддержать образование новых частиц. Самостоятельный разряд возможен, когда ударная и вторичная ионизация восполняют носители быстрее, чем они исчезают.

Типичные ошибки

Считать, что во всех средах ток создают только электроны, — ошибка: в электролитах и газах движутся ионы, а в полупроводниках ток переносят также дырки. Так думают, потому что металлические провода — самый знакомый пример цепи. Проверка проста: назовите носители для каждой среды отдельно, не перенося ответ про металл на остальные случаи.

Путать направление движения электронов с направлением тока также неверно: электрон в металле движется против условного направления тока. Путаница возникает из-за того, что ток в схеме часто показывают стрелкой, не уточняя знак носителя. Чтобы проверить направление, вспомните заряд частицы: отрицательный электрон движется противоположно положительному заряду в том же поле.

Нельзя утверждать, что любой газ проводит ток при любых условиях: в обычном газе почти нет свободных заряженных частиц. Это заблуждение возникает, когда свойства газа в разрядной трубке переносят на нейтральный газ. Спросите себя, откуда появились электроны и ионы; если источник ионизации не указан, проводимость газа нельзя считать само собой разумеющейся.

Электролиз — не просто нагревание электролита, а перенос ионов и выделение веществ на электродах. Нагрев может сопровождать ток, поэтому эти явления легко смешать, но одно не объясняет химический результат. Проверьте себя: при электролизе должны быть подвижные ионы, электроды и изменение вещества у электродов; одного повышения температуры недостаточно.

Связь с другими темами

Для этой темы пригодятся знания об электрическом заряде, силе тока, напряжении, электрическом поле и законе Ома для участка цепи: они объясняют, что переносится и что вызывает движение зарядов. Строение атома, ионы и химические реакции помогают понять появление носителей в электролитах и газах. Дальше эти идеи применяются при изучении электролиза, газоразрядных приборов, вакуумной электроники, диодов и полупроводниковых устройств.

Что запомнить

• Электрический ток существует при наличии свободных носителей заряда и электрического поля.
• В металлах ток создают свободные электроны.
• В электролитах ток создают положительные и отрицательные ионы.
• При прохождении тока через электролит происходит электролиз.
• В газах ток возможен после образования ионов и свободных электронов.
• В вакууме ток возникает только при наличии источника электронов.
• В полупроводниках ток переносят электроны и дырки.