"Физика. Электродинамика (углублённый уровень)", Мякишев Г.Я., Синяков А.З.
Электрическая проводимость показывает, может ли вещество проводить ток под действием электрического поля. Она зависит от наличия свободных носителей заряда и способности этих частиц двигаться упорядоченно. В металлах ток создают электроны, в электролитах и ионизированных газах — ионы и электроны, а в полупроводниках — электроны и дырки. Различия в составе носителей объясняют свойства веществ и их применение.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Электрическая проводимость — способность вещества проводить электрический ток под действием электрического поля. Она показывает, насколько легко в веществе возникает упорядоченное движение зарядов. Это понятие нужно, чтобы сравнивать проводники, полупроводники и изоляторы.
Носители заряда — частицы, способные упорядоченно перемещаться и переносить электрический заряд. Ими могут быть электроны, положительные и отрицательные ионы или дырки в полупроводнике. По носителям можно понять, как именно вещество проводит ток.
Электронная проводимость — проводимость, при которой ток создаётся движением свободных электронов. Электроны переносят заряд, но сами атомы проводника не перемещаются. Такой вид проводимости особенно характерен для металлов.
Ионная проводимость — проводимость, при которой ток создаётся направленным движением положительных и отрицательных ионов. Ионы перемещаются в растворах, расплавах и ионизированных газах. Поэтому прохождение тока может сопровождаться переносом вещества и химическими изменениями.
Проводимость вещества определяется наличием свободных носителей заряда и возможностью их направленного движения. Если все заряженные частицы прочно связаны и не могут перемещаться, электрическое поле почти не создаёт тока. Чем больше подвижных носителей и чем легче они движутся, тем выше проводимость вещества.
В металлах часть внешних электронов слабо связана с отдельными атомами и становится общей для всей кристаллической решётки. Электрическое поле сообщает этим электронам небольшую направленную скорость, хотя одновременно они хаотично движутся и сталкиваются с ионами решётки. Положительные ионы остаются около узлов и только колеблются, поэтому ток в металле имеет электронную природу.
В электролитах молекулы растворённого вещества распадаются на положительные и отрицательные ионы; этот процесс называют электролитической диссоциацией. Электрическое поле заставляет ионы двигаться в противоположные стороны, потому что на заряды разных знаков действуют противоположные силы. Столкновения и химические реакции у электродов объясняют, почему прохождение тока может менять состав электролита.
В обычном газе почти нет свободных заряженных частиц: электроны входят в состав нейтральных атомов и молекул. При нагревании, облучении или действии сильного поля часть молекул ионизируется, то есть превращается в электроны и ионы. После этого оба типа частиц начинают двигаться направленно, и газ становится проводником.
В полупроводнике нагревание или примеси могут освободить электроны из связей кристалла. На месте ушедшего электрона возникает дырка — свободное место, которое ведёт себя как положительный носитель и может переходить от атома к атому. Поэтому проводимость полупроводников определяется одновременно движением электронов и дырок и сильно зависит от температуры и состава.
В таблице сначала найдите вещество, которое нужно сравнить, а затем проследите его строку по всем свойствам. Особенно полезно сопоставлять носители и зависимость от температуры. Это позволяет объяснить не только наличие тока, но и изменения сопротивления.
| Свойство | Металлы | Электролиты | Газы | Полупроводники |
|---|---|---|---|---|
| Основные носители заряда | Свободные электроны | Положительные и отрицательные ионы | Электроны и ионы | Электроны и дырки |
| Происхождение носителей | Обобществлённые внешние электроны металла | Распад молекул растворённого вещества на ионы | Ионизация атомов и молекул | Тепловое воздействие и примеси |
| Направление движения носителей | Электроны движутся к положительному полюсу | Катионы — к катоду, анионы — к аноду | Электроны и положительные ионы — в противоположных направлениях | Электроны и дырки движутся противоположно |
| Что происходит с веществом при прохождении тока | Состав обычно не изменяется | Возможны химические реакции и перенос вещества | Газ ионизируется, возможны свечение и нагревание | Состав обычно не изменяется, меняется число носителей |
| Зависимость проводимости от температуры | Проводимость уменьшается | Обычно увеличивается | Обычно увеличивается после начала ионизации | Обычно увеличивается |
| Примеры веществ | Медь, алюминий, железо | Раствор поваренной соли, кислоты, щёлочи | Воздух при разряде, неон, аргон | Кремний, германий |
Условие: назовите носители заряда в медной проволоке, растворе поваренной соли и ионизированном воздухе. Нужно для каждого вещества определить вид проводимости и связанные с ним частицы.
Ответ: в медной проволоке ток переносят электроны; в растворе поваренной соли — положительные и отрицательные ионы; в ионизированном воздухе — электроны и ионы.
Условие: в электролите положительные ионы движутся к катоду, а отрицательные — к аноду. Укажите направление электрического тока и объясните, почему оно совпадает с движением положительных ионов.
Ответ: условный ток направлен от анода к катоду во внешней цепи и в электролите совпадает с движением положительных ионов — к катоду. Движение анионов в противоположную сторону также создаёт ток того же общего направления.
Условие: при нагревании металлической проволоки её сопротивление увеличилось, а проводимость кремния возросла. Объясните различие наблюдений.
Ответ: металл при нагревании проводит хуже из-за усиления столкновений, а проводимость кремния возрастает главным образом из-за увеличения числа свободных электронов и дырок.
Ошибка: считать, что ток в любом веществе переносят только электроны. Так думают из-за примера металлических проводов, но в электролитах главными носителями являются ионы. Проверьте себя: назовите частицы, возникающие при диссоциации раствора.
Ошибка: утверждать, что положительные ионы металла движутся вместе с электронами. Ионы закреплены в узлах решётки и лишь колеблются около положений равновесия. Проверка проста: если бы решётка текла по проводу, металл постоянно менял бы форму и состав.
Ошибка: путать движение электронов с направлением тока. Электроны имеют отрицательный заряд, поэтому их направленное движение противоположно условному направлению тока. Для проверки вспомните правило: направление тока совпадает с движением положительного заряда.
Ошибка: считать газ хорошим проводником при любых условиях. В обычном газе почти нет свободных носителей, а проводимость появляется после ионизации. Спросите себя, какое воздействие создало в газе электроны и ионы.
Для понимания проводимости нужны понятия электрического тока, электрического поля, электрического заряда и силы тока. Они объясняют, что именно движется и почему движение становится направленным.
Знание свойств проводников подготавливает к изучению закона Ома и зависимости сопротивления от температуры. Без различия носителей трудно объяснить разные температурные свойства металлов и полупроводников.
Проводимость электролитов и газов понадобится при изучении электролиза и газовых разрядов. Свойства полупроводников лежат в основе работы многих электронных приборов.
Почему металлы проводят ток, хотя их атомы в целом электрически нейтральны?
Атомы металла в целом нейтральны, но часть их электронов слабо связана с отдельными атомами и становится свободной внутри кристаллической решётки. Под действием электрического поля эти электроны приобретают направленное движение.
Какие частицы переносят ток в электролите?
Ток в электролите переносят положительные и отрицательные ионы. Они движутся в противоположных направлениях: катионы — к катоду, а анионы — к аноду.
Почему обычный воздух почти не проводит электрический ток?
В обычном воздухе очень мало свободных заряженных частиц, поэтому он почти изолирует ток. При нагревании, воздействии излучения или сильного электрического поля молекулы ионизируются, и проводимость возрастает.
Чем электронная проводимость отличается от ионной?
При электронной проводимости заряд переносят свободные электроны, не вызывая перемещения вещества как целого. При ионной проводимости движутся положительные и отрицательные ионы, поэтому состав проводника может изменяться.
Почему при нагревании проводимость металлов и полупроводников изменяется по-разному?
В металлах нагревание усиливает колебания ионов решётки, поэтому электронам труднее двигаться и проводимость уменьшается. В полупроводниках температура создаёт больше свободных электронов и дырок, поэтому проводимость обычно возрастает.
§ 3.1. Электрическая проводимость различных веществ . .
