Электрический ток в различных средах

Зачем это нужно

Ток течёт по медным проводам, через раствор в аккумуляторе, через газ в неоновой вывеске и в молнии, через кремний в процессоре смартфона, через вакуум в рентгеновской трубке. В каждой среде свои носители заряда и свои законы. Эти знания стоят за всей современной техникой: микроэлектроникой, светодиодами, солнечными батареями, гальваникой, производством алюминия, сваркой, сверхпроводящими магнитами томографов и коллайдеров.

Металлы

Носители тока в металлах — свободные электроны. Это доказали опыты Мандельштама и Папалекси и опыт Толмена–Стюарта (1916): при резкой остановке быстро вращающейся катушки в ней возникал ток — электроны продолжали двигаться по инерции, а по величине эффекта определили отношение их заряда к массе.

При нагревании колебания ионов решётки усиливаются, электроны чаще рассеиваются, и сопротивление растёт:

$R = R_0 (1 + \alpha t),$

где $\alpha$ — температурный коэффициент сопротивления (для меди $0{,}0043$ К⁻¹). На этом основаны термометры сопротивления.

Разобранный пример 1

Сопротивление медного провода при 0 °C равно 10 Ом. Каким оно станет при 100 °C?

$R = 10 \cdot (1 + 0{,}0043 \cdot 100) = 14{,}3$ Ом.

Сверхпроводимость. В 1911 году Хейке Камерлинг-Оннес обнаружил, что сопротивление ртути при 4,2 К скачком падает до нуля. Ток в сверхпроводящем кольце может циркулировать годами без источника. Сверхпроводники используют в магнитах томографов МРТ, ускорителей, поездов на магнитной подушке. С 1986 года известны высокотемпературные сверхпроводники, работающие при охлаждении жидким азотом (77 К).

Зависимость сопротивления от температуры у металла, полупроводника и сверхпроводника

Полупроводники

Полупроводники (кремний, германий, арсенид галлия) по сопротивлению занимают промежуточное место, но главное — при нагревании и освещении их сопротивление уменьшается: тепло и свет освобождают электроны из связей.

Собственная проводимость. Освободившийся электрон оставляет вакантное место — дырку, которая ведёт себя как положительный заряд. В чистом полупроводнике электронов и дырок поровну.

Примесная проводимость. Добавив ничтожную примесь, можно резко увеличить проводимость:

пятивалентный мышьяк или фосфор (донор) даёт лишние электроны — полупроводник n-типа;
трёхвалентный индий или бор (акцептор) создаёт дырки — полупроводник p-типа.

p-n-переход — граница областей p- и n-типа — пропускает ток практически только в одном направлении. На нём основаны диод (выпрямление тока), светодиод, фотоэлемент и солнечная батарея; два перехода образуют транзистор — усилитель и ключ, миллиарды которых работают в каждом процессоре.

Вакуум

В вакууме носителей нет — их нужно ввести. Нагретый металлический катод испускает электроны (термоэлектронная эмиссия). Вакуумный диод пропускает ток только тогда, когда катод отрицателен относительно анода. Пучок электронов, ускоренный полем и отклоняемый пластинами или магнитами, рисовал изображение в электронно-лучевой трубке старых телевизоров и осциллографов. На том же принципе работают рентгеновские трубки и электронные микроскопы.

Электролиты

В растворах солей, кислот, щелочей молекулы распадаются на ионы (электролитическая диссоциация). Ток — это движение положительных ионов к катоду и отрицательных к аноду; на электродах выделяется вещество — электролиз.

Закон Фарадея: масса выделившегося вещества пропорциональна прошедшему заряду:

$m = k I t, \qquad k = \frac{M}{nF},$

где $k$ — электрохимический эквивалент, $M$ — молярная масса, $n$ — валентность, $F = 96\,500$ Кл/моль — постоянная Фарадея.

Разобранный пример 2

Сколько меди ( $k = 0{,}33 \cdot 10^{-6}$ кг/Кл) выделится на катоде за 1 ч при токе 2 А?

$m = 0{,}33 \cdot 10^{-6} \cdot 2 \cdot 3600 \approx 2{,}4 \cdot 10^{-3}$ кг $= 2{,}4$ г.

Разобранный пример 3

Найдите электрохимический эквивалент серебра ( $M = 0{,}108$ кг/моль, $n = 1$ ).

$k = \frac{0{,}108}{96\,500} \approx 1{,}12 \cdot 10^{-6}$ кг/Кл.

Электролиз применяют для получения алюминия и чистой меди, хромирования и никелирования (гальваностегия), изготовления точных металлических копий (гальванопластика, изобретённая Б. С. Якоби в 1838 году).

Газы и плазма

В обычных условиях газ — изолятор. Под действием пламени, рентгеновских лучей, ультрафиолета молекулы ионизуются, и идёт несамостоятельный разряд, прекращающийся без внешнего ионизатора. При большом напряжении электроны разгоняются настолько, что сами ионизуют молекулы ударом, возникает лавина — самостоятельный разряд:

искровой — молния, искра свечи зажигания;
коронный — свечение у проводов ЛЭП и острых предметов («огни святого Эльма»);
дуговой — электросварка, прожекторы;
тлеющий — неоновые вывески, газоразрядные лампы.

Сильно ионизованный газ называют плазмой — четвёртым состоянием вещества. Из плазмы состоят Солнце и звёзды, молния, полярные сияния; в установках-токамаках учёные пытаются удержать горячую плазму для управляемого термоядерного синтеза.

Типичные ошибки

Считать, что сопротивление полупроводника при нагревании растёт, как у металла.
Думать, что дырка — это позитрон или реальная частица. Это вакансия электрона.
Путать донорные и акцепторные примеси.
Подставлять в закон Фарадея время в минутах или часах вместо секунд.

Что дальше

Полупроводники и p-n-переход — полупроводники и p-n-переход подробно.