§ 109. Электрическая проводимость различных веществ

Определения и обозначения

Электрическая проводимость — способность вещества проводить электрический ток. Она связана с наличием свободных носителей заряда: частиц, которые могут перемещаться по веществу. Если таких частиц нет или они не могут двигаться, электрическое поле не создаст устойчивого тока. Это понятие помогает объяснить, почему одни вещества проводят ток, а другие почти не проводят.

Электронная проводимость — перенос электрического тока свободными электронами. Она характерна для металлов, где часть электронов не закреплена за отдельными атомами и может перемещаться по кристаллу. Электрическое поле придаёт их движению общее направление. Понимание этого механизма позволяет отличать движение носителей от движения самого металлического проводника.

Электролит — раствор или расплав, в котором носителями тока служат положительные и отрицательные ионы. Ионы — заряженные атомы или группы атомов; в поле они направленно движутся к электродам. Поэтому ток в электролите связан не только с переносом заряда, но и с перемещением вещества. Это определение необходимо для объяснения электролиза.

Газовый разряд — прохождение тока через газ, ставший проводящим вследствие появления свободных электронов и ионов. В электрическом поле эти частицы получают направленное движение и переносят заряд. В обычном газе их обычно недостаточно для заметного тока. Термин помогает описать, при каких условиях газ превращается из плохого проводника в проводящую среду.

Как это устроено

Для возникновения тока необходимы две вещи: свободные заряженные частицы и электрическое поле. Частицы должны иметь возможность перемещаться, а поле сообщает их движению преимущественное направление. Без поля заряды движутся беспорядочно, и их перемещения в среднем компенсируют друг друга. Носители в разных веществах различаются, поэтому различаются и механизмы проводимости.

В металлах часть электронов может перемещаться между атомами, тогда как положительные ионы образуют кристаллическую решётку. Электрическое поле заставляет свободные электроны дрейфовать в определённом направлении, и их движение образует ток. Ионы решётки не переносятся вдоль проводника: они колеблются около закреплённых положений. При нагревании эти колебания усиливаются и чаще мешают движению электронов, поэтому сопротивление металла обычно возрастает, а проводимость уменьшается.

В электролите растворённые или расплавленные вещества дают подвижные положительные и отрицательные ионы. Поле действует на них в противоположных направлениях: положительные ионы идут к отрицательному электроду — катоду, отрицательные — к положительному, аноду. Так обе группы переносят заряд, хотя движутся навстречу друг другу. Достигнув электродов, ионы могут участвовать в химических реакциях или выделяться на поверхности, поэтому при электролизе переносится и вещество. Нагревание часто облегчает движение ионов и усиливает проводимость электролита.

При обычных условиях газ почти не проводит ток, потому что в нём мало свободных заряженных частиц. Нагревание, излучение или сильное электрическое поле могут выбить электроны из атомов или молекул; этот процесс называется ионизацией. В результате появляются свободные электроны и положительные ионы, а иногда и отрицательные ионы. Электрическое поле направляет движение этих частиц, и газ начинает проводить ток — возникает газовый разряд.

Сопоставляя среды, следует выяснить, какие частицы переносят заряд и что меняется при прохождении тока. В металлах движутся электроны, но состав вещества в целом не переносится; в электролитах перемещаются ионы, несущие вещество к электродам. Газ становится проводящим после появления заряженных частиц, а не просто потому, что он находится между электродами. Нагревание тоже действует по-разному: обычно снижает проводимость металла, но может усиливать проводимость электролита и способствовать ионизации газа.

Электрическая проводимость различных веществ

Сначала сравните столбец с носителями: он показывает главное различие механизмов проводимости. Затем проследите, переносят ли частицы вещество и при каких условиях они появляются или начинают двигаться. Последний столбец напоминает, что нагревание влияет на разные среды неодинаково.

Разбор задач

Задача 1. В металлическом проводнике установился ток. Назовите носители тока и укажите, движутся ли вместе с ними ионы кристаллической решётки.

1. Определяем материал: проводник металлический, значит, ток в нём имеет электронную природу.
2. Носителями являются свободные электроны. Под действием электрического поля их беспорядочное тепловое движение дополняется направленным движением.
3. Положительные ионы решётки не перемещаются вдоль проводника вместе с электронами. Они колеблются около своих мест, а тепловые колебания сами по себе не образуют ток.

Ответ: ток создают свободные электроны; ионы решётки не движутся вдоль проводника, а колеблются около закреплённых положений.

Задача 2. Через раствор электролита пропускают ток. Определите, какие частицы движутся к катоду и аноду, и объясните, почему состав электродов может изменяться.

1. В электролите носителями служат ионы двух знаков, поэтому нужно соотнести знак частицы с зарядом электрода.
2. Положительные ионы притягиваются к отрицательному катоду, а отрицательные — к положительному аноду.
3. Достигнув электрода, ионы могут вступать в химические реакции или отдавать заряд и оседать на поверхности. Поэтому вещество переносится к электродам, а их состав или масса могут изменяться.

Ответ: к катоду движутся положительные ионы, к аноду — отрицательные. Изменения электродов связаны с химическими процессами и выделением вещества при электролизе.

Задача 3. Сравните проводимость газа до и после его ионизации. Объясните, почему после ионизации ток возможен и какие частицы его создают.

1. До ионизации в обычном газе мало свободных носителей заряда, поэтому заметный ток обычно не проходит.
2. Ионизация создаёт свободные электроны и ионы. Теперь в газе есть частицы, которые могут переносить заряд.
3. В электрическом поле электроны и ионы начинают двигаться направленно, причём частицы разных знаков движутся к противоположным электродам. Их совместное движение и образует ток.

Ответ: до ионизации газ обычно плохо проводит ток, а после неё становится проводящим благодаря направленному движению свободных электронов и ионов.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что во всех веществах ток создают только электроны. Так думают, потому что электронную проводимость металлов часто изучают первой, но в электролитах и газах существенную роль играют также ионы. Проверьте себя вопросом: какие заряженные частицы могут перемещаться именно в этой среде? Для раствора и ионизированного газа ответ не ограничивается электронами.

Ошибка: принимать хаотическое тепловое движение за электрический ток. Частицы действительно непрерывно движутся, поэтому эти явления легко спутать, однако беспорядочные перемещения в среднем компенсируют друг друга. Ток возникает при направленном движении носителей под действием поля. Проверьте, есть ли у движения частиц общее направление.

Ошибка: утверждать, что при электролизе через раствор переносится только заряд. Это упускает то, что сами ионы перемещаются к электродам и переносят вещество. Там они могут участвовать в реакциях или выделяться на поверхности. Проверка проста: проследите, куда движутся ионы и что может произойти с ними у электродов.

Ошибка: считать газ хорошим проводником при любых условиях. В обычном газе мало свободных носителей, поэтому для заметного тока обычно нужна ионизация. Это заблуждение исчезает, если отдельно рассмотреть газ до появления заряженных частиц и после него. Спросите себя, откуда в газе взялись электроны и ионы.

Связь с другими темами

Чтобы понять проводимость, нужно знать, что такое электрический ток, электрическое поле и носители электрического заряда. Ток означает направленное движение заряженных частиц, а поле помогает объяснить, почему их движение становится направленным. Представление о носителях позволяет определить, какие именно частицы создают ток в каждом веществе.

Сравнение механизмов проводимости пригодится при изучении электролиза и газового разряда: оно объясняет перенос вещества в растворах и появление тока в газах. Та же идея — выяснить, какие частицы переносят заряд, — используется при изучении полупроводниковых приборов. В разных материалах проводимость может быть связана с разными типами носителей.

Что запомнить

• Для электрического тока в веществе нужны свободные носители заряда.
• В металлах ток создают свободные электроны.
• В электролитах ток создают положительные и отрицательные ионы.
• При электролизе перенос заряда сопровождается переносом вещества.
• Для прохождения тока через газ необходимо наличие свободных электронов и ионов.
• Носители тока и механизм проводимости зависят от вида вещества.