"Физика (базовый уровень)", Пурышева Н.С., Важеевская Н.Е., Исаев Д.А., Чаругин В.М.
Электрический ток может проходить через металлы, электролиты, газы и вакуум, но в каждой среде его переносят разные частицы. В металлах движутся свободные электроны, в растворах и расплавах — положительные и отрицательные ионы, а в ионизированном газе — электроны и ионы. В вакууме ток возникает благодаря электронам, испускаемым нагретым катодом. От состава и состояния среды зависят условия возникновения тока и его последствия.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Электронная проводимость — прохождение тока, создаваемого направленным движением свободных электронов в металле. Свободные электроны могут перемещаться между атомами кристаллической решётки. Это определение помогает отличать металлический ток от тока в средах, где заряд переносят ионы.
Ионная проводимость — перенос электрического заряда положительными и отрицательными ионами в электролитах. Ионы движутся в противоположных направлениях под действием электрического поля. Понятие нужно, чтобы объяснить не только возникновение тока, но и изменения состава вещества у электродов.
Электролиз — химические превращения вещества на электродах при прохождении тока через электролит. Ионы достигают электродов и вступают в реакции, принимая или отдавая электроны. Так объясняются выделение металла, газа или растворение электрода.
Газовый разряд — прохождение электрического тока через ионизированный газ. Ионизация создаёт свободные электроны и ионы, которые начинают двигаться в электрическом поле. Термин используют для описания свечения и других явлений в газоразрядных приборах.
В металлах атомы образуют кристаллическую решётку, а часть внешних электронов слабо связана с отдельными атомами. Поэтому такие электроны могут перемещаться по всему металлу, хотя без внешнего поля их движение беспорядочно. Поле заставляет электронный газ приобретать направленную скорость, и это упорядоченное движение создаёт ток.
Молекулы электролита при растворении или плавлении распадаются на положительные и отрицательные ионы. В электрическом поле катионы движутся к отрицательному электроду, а анионы — к положительному, поэтому заряд переносят частицы обоих знаков. Достигнув электродов, ионы обмениваются электронами и превращаются в другие вещества, так что ток сопровождается химическими изменениями.
Обычный газ почти не проводит ток, потому что его молекулы электрически нейтральны и свободных носителей очень мало. При ионизации от атомов выбиваются электроны или образуются заряженные частицы вследствие столкновений. Электрическое поле разделяет заряды и направляет их движение, поэтому появляется газовый разряд.
В вакууме почти нет частиц вещества, которые могли бы переносить заряд. Если катод нагреть, часть электронов получает достаточно энергии для выхода с его поверхности; это явление называют термоэлектронной эмиссией. Поле между катодом и анодом ускоряет электроны к аноду, и их поток образует ток.
Среды различаются не только названием носителей, но и способом их появления и последствиями движения. В металле носители уже имеются, в электролите они возникают при распаде вещества, в газе — при ионизации, а в вакууме — при эмиссии с катода. Поэтому для появления тока нужны разные условия: нагрев, растворение, ионизирующее воздействие или электрическое поле.
В таблице сначала найдите среду, затем определите её носители и условия их появления. Последний столбец показывает, ограничивается ли действие тока переносом заряда или сопровождается изменением вещества. Это позволяет быстро сравнить механизмы проводимости.
| Среда | Носители электрического заряда | Как возникают или появляются носители | Что происходит при прохождении тока |
|---|---|---|---|
| Металлы | Свободные электроны | Есть в металле благодаря строению металлической связи и кристаллической решётки | Перенос заряда и нагрев проводника; химический состав обычно не меняется |
| Электролиты | Положительные и отрицательные ионы | Возникают при распаде молекул вещества в растворе или расплаве | Происходит электролиз: химические реакции и выделение веществ на электродах |
| Газы | Электроны и положительные ионы | Появляются при ионизации атомов и молекул | Возникает газовый разряд, иногда сопровождающийся свечением и нагревом |
| Вакуум | Электроны | Выходят с нагретого катода при термоэлектронной эмиссии | Поток электронов движется к аноду под действием электрического поля |
Условие. Укажите, какие частицы переносят ток в металлическом проводнике и в растворе электролита. Объясните, почему в растворе нужно назвать частицы обоих знаков. Требуется сопоставить каждую среду с механизмом её проводимости.
Ответ: в металле ток переносят свободные электроны, а в растворе электролита — положительные и отрицательные ионы.
Условие. Объясните, почему сухой газ между электродами почти не проводит ток, а после ионизации проводимость появляется. Нужно указать, что меняется в составе газа и какую роль играет электрическое поле.
Ответ: обычный газ почти не проводит ток из-за отсутствия свободных носителей, а ионизированный газ проводит его благодаря направленному движению электронов и ионов.
Условие. В вакуумном приборе нагретый катод и анод подключены к источнику напряжения. Определите направление движения электронов и объясните наличие тока. Нужно связать нагрев катода с появлением носителей, а напряжение — с их движением.
Ответ: ток существует благодаря термоэлектронной эмиссии и движению электронов от нагретого катода к аноду. Условное направление тока направлено от анода к катоду во внешней части вакуумного промежутка.
Считать, что во всех средах ток переносят электроны, неверно: в электролитах существенный вклад дают положительные и отрицательные ионы. Ошибку допускают, перенося свойства металлов на другие среды. Проверьте себя вопросом: какие частицы образуются при растворении или плавлении электролита?
Путать движение электронов с условным направлением тока тоже нельзя. Электроны имеют отрицательный заряд, поэтому их движение направлено противоположно принятому направлению тока. Для проверки отдельно назовите направление движения носителей и направление тока.
Утверждение, что обычный газ всегда проводит ток, неправильно. Без ионизации в нём почти нет свободных заряженных частиц, хотя небольшая проводимость может сохраняться из-за внешних воздействий. Проверьте, указаны ли в условии источник ионизации или уже имеющиеся ионы.
Нельзя считать, что ток в электролите только перемещает заряд. Ионы достигают электродов и участвуют в химических реакциях, поэтому меняется состав вещества или выделяются новые продукты. Самопроверка проста: назовите, что происходит с ионами у каждого электрода.
Для понимания проводимости нужны определение электрического тока, условия его существования и представление о действии электрического поля. Эти знания помогают связать движение частиц с напряжением и силой тока.
Тема связана с устройством электрических цепей и действием тока. Различие носителей объясняет работу электролизёров, вакуумных ламп и газоразрядных приборов, а также разные последствия прохождения тока.
Почему металлы проводят электрический ток?
В металлах есть свободные электроны, которые не связаны с отдельными атомами и могут перемещаться по всему проводнику. Электрическое поле придаёт их движению направленность, поэтому возникает электрический ток.
Какие частицы переносят ток в электролите?
Ток в электролите переносят положительные и отрицательные ионы. Положительные ионы движутся к отрицательному электроду, а отрицательные — к положительному.
Что происходит с веществом при электролизе?
При электролизе на электродах происходят химические превращения: ионы принимают или отдают электроны, образуя новые вещества. Поэтому прохождение тока через электролит сопровождается выделением вещества, изменением состава раствора или растворением электрода.
Почему газу нужна ионизация, чтобы проводить ток?
В обычном газе почти нет свободных заряженных частиц, поэтому его проводимость очень мала. Ионизация создаёт электроны и положительные ионы, которые электрическое поле приводит в направленное движение.
Как возникает электрический ток в вакууме?
Нагрев катода вызывает выход электронов с его поверхности — термоэлектронную эмиссию. Электрическое поле между катодом и анодом направляет электроны к аноду, и в вакуумном промежутке возникает ток.
§ 4. Проводимость различных сред
