4. Носители электрического заряда

Определения и обозначения

Электрон — отрицательно заряженная частица. В металле электроны входят в состав атомов, но некоторые из них связаны с атомами слабо. Именно такие электроны могут переносить заряд по проводнику.

Свободные электроны — электроны, способные перемещаться внутри металла. Они переходят от одного атома к другому, не покидая проводник. Их существование объясняет, почему металлическая проволока может проводить ток.

Ион — электрически заряженный атом или группа атомов. Положительный ион имеет недостаток электронов, а отрицательный — их избыток. Это различие позволяет понять, почему ионы в электрическом поле движутся в противоположные стороны.

Носители электрического заряда — частицы, упорядоченное движение которых создаёт электрический ток. Ими могут быть электроны или ионы, в зависимости от вещества. Термин помогает определить, какие именно частицы переносят заряд в конкретной среде.

Как это устроено

В металле атомы образуют упорядоченную структуру, но не все электроны одинаково прочно удерживаются своими атомами. Слабо связанные электроны могут перемещаться между соседними атомами, поэтому их называют свободными. Положительно заряженные части атомов остаются почти неподвижными в узлах металлической структуры, а подвижные электроны становятся носителями заряда.

Без электрического поля свободные электроны движутся хаотически из-за теплового движения и сталкиваются с атомами металла. В разные стороны перемещается примерно одинаковое число электронов, поэтому общего переноса заряда не происходит. Электрическое поле действует на каждый электрон и добавляет к хаотическому движению небольшую направленную составляющую.

При растворении некоторых веществ в воде их частицы распадаются на положительные и отрицательные ионы. При плавлении электролита похожий процесс происходит благодаря разрушению связей между частицами при нагревании. В электрическом поле положительные ионы движутся к отрицательному электроду, а отрицательные — к положительному, поэтому оба вида частиц переносят заряд.

В металлическом проводнике направленно перемещаются свободные электроны, и положительные частицы металла не переносят заряд по проводнику. В растворе или расплаве электролита движутся и положительные, и отрицательные ионы. Значит, электрический ток в этих средах имеет общее свойство — направленное движение зарядов, но сами носители различаются.

В газе обычных свободных зарядов мало, поэтому газ обычно плохо проводит ток. При электрическом разряде часть атомов теряет или приобретает электроны, и появляются электроны и ионы. Они начинают двигаться упорядоченно под действием поля, так что носители заряда зависят от состояния и состава среды.

Носители электрического заряда в разных средах

Сначала определите среду, а затем найдите частицы, которые в ней могут свободно перемещаться. По последнему столбцу видно, какой знак заряда переносит каждый вид носителей. В электролитах и газах одновременно могут двигаться частицы с разными знаками.

Разбор задач

Задача 1

Условие. Назовите носители электрического заряда в медном проводе и укажите, какие из них движутся при прохождении тока. Нужно отличить обычное движение частиц от направленного переноса заряда.

1. Медь является металлом, поэтому в её структуре есть свободные электроны.
2. Без поля эти электроны движутся хаотически и не создают общего тока.
3. При подключении источника электрическое поле направляет их движение, и они переносят отрицательный заряд.

Ответ: носители заряда в медном проводе — свободные электроны; при прохождении тока их движение становится направленным.

Задача 2

Условие. В растворе электролита положительные ионы перемещаются к одному электроду, а отрицательные — к другому. Требуется назвать носителей заряда и указать их знаки.

1. Частицы, движущиеся к отрицательному электроду, притягиваются к нему, значит, они имеют положительный заряд.
2. Частицы, направляющиеся к положительному электроду, имеют отрицательный заряд, потому что разноимённые заряды притягиваются.
3. Оба вида ионов движутся направленно, поэтому оба участвуют в переносе заряда.

Ответ: к отрицательному электроду движутся положительные ионы, а к положительному — отрицательные.

Задача 3

Условие. Сравните перенос заряда в металлическом проводнике и растворе электролита. Назовите носителей и объясните различие их движения.

1. В металле носителями являются только свободные электроны, поэтому направленно движутся частицы одного вида и одного знака.
2. В электролите носителями служат положительные и отрицательные ионы, которые одновременно движутся навстречу друг другу к противоположным электродам.
3. В обоих случаях ток означает упорядоченное движение зарядов, но в электролите вклад дают частицы двух знаков.

Ответ: в металле заряд переносят свободные электроны, а в электролите — ионы обоих знаков, движущиеся в противоположных направлениях.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что во всех проводниках ток создают электроны. Так думают из-за примера металлического провода, но в электролите заряд переносят положительные и отрицательные ионы. Проверка: сначала назовите среду, затем её подвижные частицы.

Ошибка: путать направленное движение электронов с хаотическим. Электроны движутся беспорядочно и без поля, но общий перенос заряда появляется только при направляющем действии поля. Проверка: спросите себя, есть ли у движения преимущественное направление.

Ошибка: называть ионом только заряженный атом. Ионом может быть и группа атомов, если она имеет общий избыток или недостаток электронов. Проверка: уточните, относится ли заряд ко всей частице, а не только к одному атому.

Ошибка: считать, что положительный ион движется вместе с электроном. Частицы разных знаков в одном поле движутся противоположно: положительный ион — к отрицательному электроду, отрицательная частица — к положительному. Проверка: используйте правило притяжения разноимённых зарядов.

Связь с другими темами

До изучения темы нужно знать, что электрический заряд бывает положительным и отрицательным, а заряженные частицы взаимодействуют с электрическим полем. Это позволяет понять, почему разные частицы движутся к разным электродам.

Представление о носителях заряда объясняет электрический ток и его действие в металлах, электролитах и газах. От среды зависит, какие частицы обеспечивают перенос заряда.

Знания пригодятся при изучении электрических цепей, электролиза и электрического разряда в газах. Во всех этих темах важно уметь находить движущиеся заряженные частицы.

Что запомнить

• Электрический ток связан с направленным движением заряженных частиц.
• В металлах носителями заряда служат свободные электроны.
• Электрон имеет отрицательный заряд.
• Ионы бывают положительными и отрицательными.
• В электролитах заряд переносят ионы обоих знаков.
• Носители заряда зависят от среды.