"Физика", Белага В.В., Ломаченков И.А., Панебратцев Ю.А.
Электрический ток возможен не только в металлических проводах. В разных средах заряд переносят разные частицы: электроны, ионы или их сочетание. От этого зависят условия возникновения тока и его действие. В электролитах ток сопровождается химическими превращениями, в газах — ионизацией, а в вакууме — движением электронов от нагретого катода к аноду. Сравнение сред помогает понять работу электролизёров, газоразрядных ламп и электронных приборов.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Электрический ток в металлах — направленное движение свободных электронов. Металлические ионы образуют неподвижную кристаллическую решётку и остаются около своих мест. Это объясняет, почему заряд переносится без переноса самого металла.
Электролиз — выделение вещества на электродах при прохождении тока через электролит. Электролит — раствор или расплав, в котором движутся положительные и отрицательные ионы. Понятие электролиза нужно, чтобы объяснить получение металлов, очистку веществ и нанесение покрытий.
Газовый разряд — прохождение электрического тока через газ, в котором есть свободные заряженные частицы. Обычно газ почти не проводит ток, но при ионизации в нём появляются электроны и ионы. Так работают, например, газоразрядные трубки.
Термоэлектронная эмиссия — вылет электронов из нагретого металла. Покинув катод, электроны могут двигаться в вакууме к аноду под действием электрического поля. Это явление позволяет создавать ток в электронных лампах и других вакуумных приборах.
В металлах часть электронов слабо удерживается атомами, поэтому может перемещаться по всей решётке. При подключении источника электрическое поле придаёт этому хаотическому движению небольшую упорядоченность. Во время движения электроны сталкиваются с частицами решётки, передают им энергию, и проводник нагревается.
В растворах и расплавах электролитов частицы вещества распадаются на положительные и отрицательные ионы. Это происходит потому, что взаимодействие с растворителем или нагревание ослабляет связи между частями вещества. Поле направляет положительные ионы к отрицательному электроду, а отрицательные — к положительному.
На электродах ионы не просто накапливаются, а вступают в химические реакции. Положительные ионы получают электроны и могут превращаться в атомы металла, оседающие на электроде. Поэтому электролиз сопровождается переносом вещества и изменением состава раствора или электродов.
Чистый газ плохо проводит ток, поскольку в нём очень мало свободных носителей заряда. При ионизации электроны отделяются от атомов, а оставшиеся частицы становятся положительными ионами. Электрическое поле ускоряет эти частицы, они сталкиваются с другими атомами и могут вызвать новые ионизации, поддерживая газовый разряд.
В вакууме почти нет частиц, которые могли бы переносить заряд, поэтому обычного тока там не возникает. Если катод нагреть, часть электронов получит достаточно энергии для выхода из металла; это и есть термоэлектронная эмиссия. Поле между катодом и анодом направляет электроны к аноду, создавая ток.
| Среда | Носители заряда | Условие возникновения тока | Что происходит при прохождении тока |
|---|---|---|---|
| Металлы | Свободные электроны | Наличие электрического поля и замкнутой цепи | Проводник нагревается, химический состав обычно не меняется |
| Электролиты | Положительные и отрицательные ионы | Наличие подвижных ионов и электрического поля | На электродах идут химические реакции, выделяются вещества |
| Газы | Электроны и положительные ионы | Ионизация газа и электрическое поле | Возникает газовый разряд, газ может светиться и нагреваться |
| Вакуум | Электроны | Вылет электронов с катода и электрическое поле | Электроны движутся к аноду, химических превращений в среде нет |
Сначала по таблице определяют среду, затем находят её носители заряда и условие появления свободных частиц. Последний столбец показывает, какое действие тока характерно именно для этой среды.
Главное сравнение состоит в том, что электроны переносят заряд в металлах и вакууме, а ионы участвуют в токе электролитов и газов. Поэтому ток не всегда означает одно и то же физическое или химическое изменение.
Условие: назовите носители тока в медном проводе и объясните его нагревание при прохождении тока.
Ответ: ток в медном проводе создают свободные электроны, а нагревание происходит из-за их столкновений с частицами решётки.
Условие: через раствор электролита пропускают ток. Определите, к каким электродам движутся положительные и отрицательные ионы и где выделяется металл.
Ответ: к катоду движутся положительные ионы, к аноду — отрицательные, а металл выделяется на катоде.
Условие: в газоразрядной трубке и вакуумном приборе возник ток. Сравните переносчики заряда и источник их появления.
Ответ: газовый разряд поддерживается ионами и электронами, а вакуумный ток — электронами термоэлектронной эмиссии.
Ошибка 1. Считать, что ток в металле создают положительные ионы. Так думают, потому что ионы входят в состав металла, но они закреплены в решётке. Проверьте себя: спросите, какая частица может перемещаться по проводнику.
Ошибка 2. Путать движение электронов с направлением тока. Электроны движутся от минуса к плюсу, а условное направление тока выбрано от плюса к минусу. Всегда сначала указывайте, о каком направлении идёт речь.
Ошибка 3. Объяснять проводимость электролита свободными электронами. В растворах и расплавах заряд переносят ионы, которые движутся к электродам. Проверка проста: именно движение ионов приводит к выделению веществ.
Ошибка 4. Считать, что газ или вакуум проводят ток при любых условиях. Газу нужны свободные ионы и электроны, а вакууму — источник электронов, например нагретый катод. Если носителей нет, электрическая цепь не получит ток.
Для понимания темы нужны представления об электрическом токе, заряде, электрическом поле и электрической цепи. Электролиз связывает физику с химическими реакциями и используется для получения и очистки веществ. Знание носителей заряда пригодится при изучении полупроводников, электронных приборов и электрических разрядов.
Почему металлический провод проводит ток, хотя его атомы связаны в решётку?
В металле часть электронов слабо связана с атомами и может перемещаться по кристаллической решётке. Электрическое поле направляет это движение, поэтому возникает ток.
В каком направлении движутся электроны в металлическом проводнике?
Электроны движутся от отрицательного полюса источника к положительному. Это направление противоположно условному направлению электрического тока.
Почему электролит проводит ток?
В растворах и расплавах электролитов есть положительные и отрицательные ионы. Электрическое поле заставляет их двигаться к противоположно заряженным электродам.
Что происходит с веществом при электролизе?
Ионы перемещаются к электродам и участвуют там в химических реакциях. Поэтому на электродах может выделяться металл, газ или другое вещество.
Как может идти электрический ток в вакууме?
В вакууме почти нет частиц, поэтому электроны должны быть специально выпущены с нагретого катода. Двигаясь к аноду под действием электрического поля, они создают ток.
30. Электрический ток в различных средах
