§ 60. Электрический ток в различных средах

Определения и обозначения

Электрический ток в металлах — упорядоченное движение свободных электронов. В металле внешние электроны атомов становятся электронами проводимости и могут перемещаться по кристаллу, тогда как положительные ионы остаются около своих мест. Это определение помогает отличать носителей тока от частиц, которые лишь образуют структуру вещества.

Электролиз — выделение веществ на электродах при прохождении электрического тока через электролит. Электролитом называют раствор или расплав, в котором есть подвижные ионы; именно их движение переносит заряд внутри жидкости. Понятие электролиза связывает электрический ток с химическими изменениями и позволяет объяснить получение вещества на электродах.

Газовый разряд — прохождение электрического тока через газ. Ток в газе создают электроны и ионы, которые появляются при ионизации — превращении нейтральных атомов или молекул в заряженные частицы. Это определение показывает, почему газ начинает проводить ток лишь при наличии свободных носителей.

Полупроводник — вещество, электропроводность которого зависит от температуры, освещения и примесей. При этом число подвижных носителей может меняться: заряд переносят свободные электроны и дырки, то есть незаполненные места, ведущие себя как положительные заряды. Определение нужно, чтобы понять, почему свойства полупроводника можно изменять и использовать в электронных приборах.

Как это устроено

В металлической решётке положительные ионы удерживаются около определённых положений, а часть внешних электронов не принадлежит отдельным атомам и свободно перемещается внутри металла. Без электрического поля их движение беспорядочно, поэтому направленного переноса заряда нет. Поле заставляет электроны дрейфовать в определённую сторону, и возникает ток. При столкновениях с ионами электроны передают решётке энергию, из-за чего проводник сопротивляется току и нагревается.

Нагревание металла усиливает колебания ионов около их положений. Электроны чаще сталкиваются с колеблющейся решёткой и труднее проходят через проводник при том же электрическом поле. Поэтому сопротивление металла обычно растёт с температурой. Это объяснение относится именно к металлам и не означает, что нагрев одинаково влияет на любую среду.

В электролите часть молекул распадается на положительные и отрицательные ионы. Электрическое поле направляет катионы, то есть положительные ионы, к отрицательному электроду, а анионы — отрицательные ионы — к положительному. Так ионы переносят заряд через раствор или расплав. Достигнув электродов, они участвуют в химических реакциях: могут присоединять или отдавать электроны, после чего на электродах оседает вещество либо выделяется газ.

В обычном газе заряженных частиц мало, потому что атомы и молекулы в основном нейтральны. Ионизатор — например, нагревание, излучение или сильное поле — выбивает электроны или разделяет заряды, создавая электроны и ионы. Под действием поля эти частицы движутся направленно и образуют ток. Несамостоятельный разряд прекращается, когда перестаёт действовать внешний ионизатор; при самостоятельном разряде носители продолжают возникать благодаря процессам внутри газа, и ток поддерживается без внешнего ионизатора.

В полупроводнике часть электронов может перейти в состояние, в котором они свободно перемещаются; при этом остаются дырки — незаполненные места в электронных связях, которые перемещаются как положительные носители. Нагревание или освещение создаёт дополнительные пары «электрон — дырка», поэтому носителей становится больше и проводимость возрастает. Примеси тоже меняют число носителей: одни обеспечивают преимущественно электронную, другие — дырочную проводимость. Так можно целенаправленно изменять свойства полупроводников для устройств.

Электрический ток в различных средах

Сравнивайте строки по носителям заряда: так проще определить, какие частицы создают ток в конкретной среде. Затем смотрите на условия проводимости и на то, сопровождается ли прохождение тока химическим изменением. Таблица также показывает, почему один и тот же нагрев по-разному влияет на металл и полупроводник.

Разбор задач

Сила тока и заряд в металлическом проводнике

Условие: через металлический проводник за 2 мин прошёл заряд 240 Кл. Найти силу тока и определить, какой заряд проходит через поперечное сечение за 1 с. Сила тока показывает заряд, проходящий через сечение за единицу времени. Поэтому сначала переводим минуты в секунды, а затем используем определение I = q/t.

1. Переведём время: t = 2 мин = 120 с. Это нужно, чтобы заряд и время были выражены в единицах СИ.
2. Вычислим силу тока: I = q/t = 240 Кл / 120 с = 2 А. Значит, за каждую секунду через сечение проходит заряд 2 Кл.
3. Для проверки применим формулу q = It за 1 с: q = 2 А · 1 с = 2 Кл. В металле этот перенос связан с направленным движением электронов.

Ответ: сила тока равна 2 А; за 1 с через поперечное сечение проходит заряд 2 Кл.

Масса вещества при электролизе

Условие: при электролизе через раствор за 10 мин прошёл ток 2 А. Электрохимический эквивалент вещества равен 0,30 мг/Кл. Найти массу вещества, выделившегося на электроде. Масса зависит от полного заряда, прошедшего через электролит, поэтому сначала найдём этот заряд, а затем применим закон электролиза m = kq.

1. Переведём время в секунды: t = 10 мин = 600 с. В формуле заряда q = It ток берём в амперах, а время — в секундах.
2. Найдём заряд: q = 2 А · 600 с = 1200 Кл. Это суммарный заряд, перенесённый ионами через электролит за указанное время.
3. Вычислим массу: m = kq = 0,30 мг/Кл · 1200 Кл = 360 мг. Единицы кулон сокращаются, поэтому результат получается в миллиграммах.

Ответ: на электроде выделится 360 мг вещества. Если бы время или сила тока увеличились в несколько раз, прошедший заряд и масса при неизменном веществе увеличились бы во столько же раз.

Изменение свойств при нагревании

Условие: сравнить, как при нагревании меняются сопротивление металлического проводника и электропроводность полупроводника, и объяснить противоположность изменений. Нужно сопоставить не только результат, но и микроскопические причины. В металле и полупроводнике нагревание по-разному влияет на движение частиц и количество носителей заряда.

1. В металле нагревание усиливает колебания ионов кристаллической решётки. Из-за более частых столкновений электронам труднее двигаться, поэтому сопротивление обычно возрастает.
2. В полупроводнике нагревание создаёт дополнительные пары электронов и дырок. Число носителей растёт, поэтому электропроводность обычно увеличивается, а сопротивление уменьшается.
3. Сверим выводы по различию механизмов: в металле меняются главным образом условия движения уже имеющихся электронов, а в полупроводнике заметно меняется число носителей заряда. Поэтому эффекты нагревания противоположны.

Ответ: при нагревании сопротивление металла обычно возрастает, а электропроводность полупроводника обычно увеличивается.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что в металле ток переносят положительные ионы решётки. Так можно подумать, потому что ионы имеют заряд и входят в состав проводника, но они лишь колеблются около своих мест, а направленно движутся свободные электроны. Проверьте себя: спросите, какие частицы могут перемещаться по всему металлу, не разрушая его кристаллическую структуру.

Ошибка: считать, что электроны проходят через раствор электролита от одного электрода к другому. Это представление ошибочно переносит механизм проводимости металлов на жидкость: в растворе заряд переносят ионы, а электроны участвуют в реакциях на электродах. Проверьте себя, разделив путь заряда внутри электролита и процессы, происходящие на границе раствора с электродом.

Ошибка: полагать, что газ проводит ток при любых условиях. В нейтральном газе свободных носителей мало, поэтому ток возникает после ионизации; это легко упустить, если помнить только о движении зарядов в уже проводящей среде. Проверьте себя: назовите источник электронов и ионов и объясните, что произойдёт, если ионизация прекратится.

Ошибка: утверждать, что нагревание всегда увеличивает сопротивление. Такой вывод переносят с металлов на все вещества, хотя в полупроводниках нагревание обычно увеличивает число носителей и электропроводность. Проверьте себя, отдельно выяснив, меняет ли нагрев прежде всего частоту столкновений носителей или их количество.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны определения силы тока и электрического сопротивления, закон Ома и представление о движении зарядов в электрическом поле. Электролиз связан с химией: его применяют для получения и очистки металлов. Газовые разряды используются в источниках света, а полупроводники — в электронных приборах. Знание механизмов переноса заряда и зависимости проводимости от условий понадобится при изучении электрических цепей, полупроводниковых устройств и электромагнитных явлений.

Что запомнить

• В металлах ток создают свободные электроны.
• В электролитах заряд переносят положительные и отрицательные ионы.
• Масса вещества при электролизе пропорциональна прошедшему заряду: m = kq.
• Ток в газе возникает при наличии свободных электронов и ионов.
• Проводимость полупроводника зависит от температуры, освещения и примесей.
• Механизм переноса заряда зависит от среды.