§ 60. Электрический ток в различных средах

Определения и обозначения

Электрический ток в среде — упорядоченное движение свободных заряженных частиц. В разных веществах такими носителями становятся электроны, ионы или электроны вместе с дырками. Это определение помогает выяснить, почему ток возникает в одних условиях и как он переносится в конкретной среде.

Электронная проводимость — перенос электрического заряда свободными электронами. Она характерна для металлов, вакуума с источником электронов и полупроводников. Зная это понятие, можно отличить движение электронов от движения ионов и объяснить работу электронных устройств.

Электролит — раствор, расплав или твёрдое вещество, в котором заряд переносят ионы. Положительные ионы называют катионами, отрицательные — анионами; в электрическом поле они движутся в противоположных направлениях. Такое определение нужно, чтобы понять, почему ток в электролите связан с переносом вещества.

Газовый разряд — прохождение тока через ионизированный газ, содержащий свободные электроны и ионы. Разряд бывает несамостоятельным, пока ионизацию вызывает внешний источник, и самостоятельным, когда ток поддерживается внутри газа. Различение этих типов помогает объяснить работу газоразрядных приборов.

Как это устроено

Чтобы среда проводила ток, в ней должны быть свободные заряженные частицы, а электрическое поле должно направлять их движение. Если носителей нет или частицы не могут перемещаться, устойчивый ток не возникает. Поэтому одинаковое поле по-разному действует на металл, газ и вакуум: у них различаются и состав носителей, и условия их появления.

В металле часть электронов может перемещаться между узлами кристаллической решётки, поэтому свободные носители уже есть без дополнительной ионизации. Электрическое поле создаёт их направленное движение, которое и является током. Положительные ионы решётки связаны с устойчивыми положениями и только колеблются около них, поэтому не переносят заряд вдоль проводника. При этом химический состав металла не меняется, что делает его удобным материалом для проводов и нагревателей.

В электролите растворение или расплавление создаёт подвижные ионы, а электрическое поле разводит их потоки: катионы направляются к катоду, анионы — к аноду. Так оба вида ионов переносят заряд, хотя движутся в разные стороны. Достигнув электродов, ионы могут участвовать в химических реакциях, например превращаться в нейтральные атомы и выделяться на поверхности. Поэтому электролиз позволяет получать вещества и лежит в основе работы некоторых аккумуляторов.

В обычном газе почти все частицы нейтральны: электрон связан с атомом или молекулой, поэтому свободных носителей очень мало. Ионизация освобождает электроны и создаёт ионы, а поле ускоряет заряженные частицы и вызывает ток. При несамостоятельном разряде для ионизации нужен внешний источник; при самостоятельном разряде быстрые частицы могут выбивать электроны при столкновениях и поддерживать дальнейшую ионизацию. Этим объясняется, почему газоразрядные приборы работают лишь при подходящих условиях.

В вакууме почти нет частиц, которые могли бы переносить заряд, поэтому электроны приходится вводить извне, например нагреванием катода. После этого поле направляет их от источника к другому электроду, и возникает ток. В полупроводнике носителями служат электроны и дырки — свободные места, которые ведут себя как положительные заряды. Нагрев и освещение создают дополнительные носители, а примеси меняют их количество; поэтому проводимость можно настраивать для диодов, транзисторов и фоторезисторов.

Электрический ток в различных средах

Сравнивайте среды по четырём признакам: носители, условия появления тока, изменения вещества и применение. Таблица показывает, что одного электрического поля не всегда достаточно: в газе нужна ионизация, а в вакууме — источник электронов. Сопоставление особенно полезно при выборе подходящей модели для задачи.

Разбор задач

Носители тока в разных средах

Определите частицы, создающие ток в медном проводе, растворе поваренной соли и разреженном газе. Сначала установите, к какой среде относится каждый пример. Затем назовите носители, не предполагая заранее, что ток всегда создают электроны.

1. Медь — металл, поэтому в проводе движутся свободные электроны.
2. Раствор соли — электролит: в нём есть положительные и отрицательные ионы, которые направляются к разным электродам.
3. Разреженный газ проводит ток только при наличии ионизации; его носители — электроны и ионы.

Ответ: в медном проводе ток создают электроны, в растворе поваренной соли — катионы и анионы, в ионизированном разреженном газе — электроны и ионы. Если газ не ионизирован, свободных носителей в нём почти нет.

Масса меди при электролизе

Через раствор сульфата меди проходит ток силой 2 А в течение 10 минут. Нужно найти массу меди, выделившейся на катоде. По закону Фарадея масса пропорциональна прошедшему заряду: m = kQ, где для меди k ≈ 0,329 мг/Кл.

1. Переведите время в секунды: t = 10 · 60 = 600 с.
2. Найдите заряд: Q = It = 2 · 600 = 1200 Кл.
3. Подставьте заряд в закон Фарадея: m = 0,329 · 1200 = 394,8 мг.
4. Переведите миллиграммы в граммы: 394,8 мг = 0,3948 г.

Ответ: на катоде выделится примерно 0,395 г меди. Проверка единиц полезна: миллиграммы, полученные умножением мг/Кл на Кл, дают единицу массы.

Проводимость полупроводников

Сравните собственный и примесный полупроводники при нагревании и объясните работу прибора. В собственном полупроводнике носители возникают в самом веществе, а примеси добавляют дополнительные носители. Поэтому нужно учитывать не только температуру, но и состав материала.

1. При нагревании в обоих случаях увеличивается число носителей, так как часть электронов получает энергию и становится свободной.
2. В собственном полупроводнике при этом появляются пары: свободный электрон и дырка.
3. В примесном полупроводнике вклад примесей может преобладать, поэтому концентрация электронов или дырок зависит от типа и количества примеси.
4. В приборе, например диоде, используют управление движением носителей; в фоторезисторе освещение меняет их концентрацию и проводимость.

Ответ: нагрев обычно повышает проводимость обоих типов, но примесный полупроводник дополнительно зависит от вида и концентрации примесей. Работа прибора связана с тем, как внешнее воздействие меняет число и движение электронов и дырок.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что ток всегда создают только электроны. Так думают, потому что именно электронное движение часто изучают на примере металлического провода. Проверьте себя по среде: в электролитах движутся ионы, в газах — ионы и электроны, в полупроводниках — электроны и дырки.

Ошибка — утверждать, что любой газ хорошо проводит ток. Газ кажется похожим на другие вещества, но в обычном состоянии его частицы в основном нейтральны. Спросите себя, откуда в нём взялись свободные носители: если не было ионизации, газ проводит очень слабо.

Ошибка — путать направление движения электронов с направлением тока. Электроны имеют отрицательный заряд и движутся противоположно условному направлению тока. Для проверки представьте движение положительного заряда: именно его направление принято считать направлением тока.

Ошибка — полагать, что при электролизе ток не вызывает химических изменений. Это заблуждение возникает, если рассматривать только движение зарядов в растворе. Проследите путь ионов до электродов: там они могут вступать в реакции, а вещество — выделяться или изменяться.

Связь с другими темами

Для изучения темы нужны понятия электрического тока и поля, сила тока, заряд частицы и закон Ома. Они позволяют описать движение носителей и количественно сравнивать токи. Эти знания помогают разбираться в сопротивлении проводников, электролизе, источниках тока и электрохимических устройствах.

Далее представления о носителях заряда применяются при изучении полупроводниковых приборов, газоразрядных источников света и электронной техники. Так общая идея движения зарядов связывает работу устройств, устроенных совершенно по-разному. При этом для каждого устройства важно учитывать, какие частицы переносят заряд и откуда они появляются.

Что запомнить

• Электрический ток возможен при наличии свободных заряженных частиц и электрического поля.
• В металлах ток создают свободные электроны.
• В электролитах ток создают катионы и анионы, а перенос заряда сопровождается химическими реакциями.
• Для прохождения тока через газ необходима ионизация.
• В вакууме ток создаётся направленным движением электронов от источника.
• В полупроводниках ток создают электроны и дырки.
• Направление тока принимают за направление движения положительных зарядов.