2. Носители электрического заряда

Определения и обозначения

Носитель электрического заряда — частица или квазичастица, перемещение которой создаёт электрический ток. Квазичастица — удобная модель поведения группы частиц в веществе. Понятие носителя помогает выяснить, что именно движется в конкретной среде.

Электрон — частица с отрицательным элементарным зарядом −e, где e = 1,6 · 10⁻¹⁹ Кл. В металлах свободные электроны могут перемещаться по всему проводнику. Поэтому именно они переносят заряд при прохождении тока через металл.

Ион — атом или группа атомов, имеющие электрический заряд. Если частица потеряла электроны, она становится положительным ионом; если присоединила лишние электроны — отрицательным. Это различие нужно учитывать, определяя направление движения зарядов.

Дырка — незаполненное место в электронной структуре полупроводника, ведущее себя как положительный носитель заряда. Электроны перемещаются и занимают соседние свободные места, поэтому кажется, будто движется сама дырка. Такая модель позволяет описывать перенос заряда без поиска отдельной положительной частицы.

Как это устроено

Электрический заряд не перемещается сам по себе: он связан с частицами или квазичастицами. Если заряженные носители движутся беспорядочно, их перемещения в среднем компенсируют друг друга. Электрический ток появляется, когда движение становится направленным, например под действием электрического поля. Поэтому для тока нужны и заряженные частицы, и возможность их перемещения.

В металле атомы образуют кристаллическую решётку, а часть электронов может свободно перемещаться между её узлами. Положительные ионы решётки удерживаются около определённых мест и лишь колеблются, так что они не переносят заряд вдоль проводника. Электрическое поле задаёт свободным электронам направленное движение. Оно направлено противоположно условному направлению тока, принятому для движения положительных зарядов.

В электролитах — растворах или расплавах веществ — есть подвижные положительные и отрицательные ионы. Поле заставляет их двигаться в противоположные стороны: положительные ионы — по направлению поля, отрицательные — против него. Но заряд отрицательного иона имеет знак, противоположный заряду положительного. Поэтому встречное движение разноимённых ионов не уничтожает ток: вклады обоих потоков в условное направление тока складываются.

В обычном газе заряженных частиц может быть слишком мало для заметного тока. При ионизации часть атомов теряет или захватывает электроны, и появляются свободные электроны и ионы. Если эти частицы могут двигаться под действием электрического поля, газ проводит ток. Без свободных заряженных носителей поле не создаёт направленного переноса заряда, даже если оно действует на вещество.

В полупроводнике при определённых условиях электроны получают возможность перемещаться, оставляя незаполненные места — дырки. Когда электрон из соседнего места занимает такую пустоту, свободное место возникает в другом месте, и его перемещение можно описывать как движение положительного носителя. Поэтому ток в полупроводнике может быть связан с движением и электронов, и дырок. Оба вида носителей важны для объяснения электрических свойств таких материалов.

Носители заряда в разных средах

Сначала найдите в таблице нужную среду, затем определите, какие носители в ней могут перемещаться. В последнем столбце указано, что физически движется при прохождении тока. Если в строке перечислены носители обоих знаков, это не означает, что их действия обязательно компенсируются.

Разбор задач

1. Сила тока в проводнике

За 4 с через сечение проводника проходит заряд 12 Кл. Требуется найти силу тока и понять, что можно сказать о носителях. Используем определение силы тока: I = q/t. Это отношение перенесённого заряда ко времени, а не характеристика конкретного вида частиц.

1. Выпишем данные: q = 12 Кл, t = 4 с.
2. Подставим их в формулу: I = 12 Кл / 4 с = 3 А.
3. По значению тока нельзя определить тип носителей: для этого нужно знать, из какого материала сделан проводник.

Ответ: I = 3 А; известно, что заряд направленно проходит через сечение, но тип носителей по этим данным установить нельзя.

2. Число элементарных зарядов

Через проводник прошёл заряд 3,2 · 10⁻¹⁹ Кл. Нужно определить, сколько элементарных зарядов перенесено. Модуль заряда одного элементарного носителя равен e = 1,6 · 10⁻¹⁹ Кл. Чтобы найти число частиц, сравним общий заряд с зарядом одной частицы.

1. Запишем формулу: N = |q|/e.
2. Подставим значения: N = 3,2 · 10⁻¹⁹ / 1,6 · 10⁻¹⁹ = 2.
3. Если известен знак q, он подскажет знак перенесённого заряда, но для подсчёта числа частиц используем модуль.

Ответ: перенесено 2 элементарных заряда. Без указания знака заряда нельзя определить, были ли это положительные или отрицательные носители.

3. Движение ионов в электролите

Через сечение электролита прошли N положительных ионов с зарядом +e и N отрицательных ионов с зарядом −e. Нужно найти полный заряд, перенесённый через сечение, и объяснить наличие тока. Если просто сложить знаковые заряды частиц, получится ноль, но такое сложение не учитывает направление движения. Для тока важно, в какую сторону переносится каждый заряд.

1. Положительные ионы движутся в одну сторону, отрицательные — в противоположную.
2. Заряд отрицательных ионов имеет знак минус, поэтому их перенос в противоположную сторону создаёт вклад в ток того же условного направления, что и движение положительных ионов.
3. В выбранном направлении перенесённый заряд равен Q = Ne + N|−e| = 2Ne.

Ответ: через сечение перенесено 2Ne в направлении условного тока. Ток не равен нулю, потому что вклады ионов обоих знаков складываются, хотя сами ионы движутся навстречу друг другу.

Типичные ошибки

Считать, что во всех веществах ток переносят электроны, — неверно: в электролитах движутся ионы, а в полупроводниках участвуют также дырки. Ошибку допускают, перенося знакомую модель металла на любую среду. Проверьте себя: прежде чем называть носитель, укажите материал проводника.

Движение электронов часто принимают за направление тока, хотя условное направление тока противоположно движению отрицательных зарядов. Это происходит из-за смешения физического движения частиц и принятого обозначения направления. Проверьте знак носителя: для отрицательного заряда направление тока и движения различается.

Встречное движение положительных и отрицательных ионов не означает, что токи взаимно уничтожаются. Заряд и направление движения меняются одновременно, поэтому вклады в условный ток направлены одинаково. Проверяйте отдельно знак заряда и направление движения каждого вида ионов.

При подсчёте числа носителей нельзя делить заряд на −e без учёта знака или путать число частиц с суммарным зарядом. Причина ошибки — забытый модуль элементарного заряда и смешение величин N и q. Проверьте результат формулой N = |q|/|q₀|: число частиц не может быть отрицательным.

Связь с другими темами

Чтобы изучать носители заряда, нужно знать, что такое электрический заряд, элементарный заряд и электрический ток. Эти понятия позволяют связывать движение частиц с количеством заряда, прошедшего через сечение. Позже представление о носителях поможет объяснить закон Ома и особенности тока в разных веществах. Оно также понадобится при изучении проводимости металлов, электролитов, газов и полупроводников.

Что запомнить

• Ток создаёт направленное движение свободных носителей заряда.
• В металлах носителями тока служат свободные электроны.
• В электролитах ток переносят положительные и отрицательные ионы.
• В ионизированных газах носителями могут быть и электроны, и ионы.
• В полупроводниках ток переносят электроны и дырки.
• Условное направление тока совпадает с направлением движения положительных носителей.