3.Электрический ток в металлах и полупроводниках.
В зависимости от концентрации свободных зарядов тела делятся на проводники, диэлектрики и полупроводники.
Проводники – тела, в которых заряды могут перемещаться по всему объему (свободные заряды), поэтому они проводят электрический ток. В металлах (проводники первого рода) – это электроны. В растворах и расплавах солей, кислот и щелочей (проводники второго рода) – это положительные и отрицательные ионы –катионы, анионы.
Диэлектрики – тела, в которых заряды смещаются на расстояния, не превышающее размеров атома (связанные заряды), поэтому они не проводят электрический ток.
Полупроводники занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Проводят электрический ток при определенных условиях.
Носителями зарядов являются электроны и дырки.
Классическая теория проводимости металлов
Металл представляет собой кристаллическую решетку, в узлах которой находятся положительно заряженные ионы, с между ионами существует электронный газ.
Когда в проводнике создается разность потенциалов свободные электроны приходят в упорядоченное движение.
Сначала электроны движутся равноускоренно, но очень скоро электроны перестают ускоряться, сталкиваясь с атомами решетки.
Атомы решетки начинают колебаться всё с большей амплитудой относительно условной точки покоя, и наблюдается термоэлектрический эффект (проводник разогревания).
Зонная теория твердых тел
В изолированном атоме энергия электрона может принимать строго дискретные значения, так как электрон может находиться только на одной из орбиталей.
У атомов в молекуле, электронные орбитали расщепляются.
Количество орбиталей пропорционально числу атомов. Это приводит к образованию молекулярных орбиталей.
В макроскопическом кристалла (более 1020 атомов), количество орбиталей становится очень большим, а разница энергий электронов, находящихся на соседних орбиталях становится очень маленькой.
Энергетические уровни расщепляются до практически непрерывных дискретных наборов — энергетических зон.
Наивысшая в полупроводниках и диэлектриках зона, в которой все энергетические состояния заняты электронами, называется валентной зоной, следующая за ней – зоной проводимости.
В металлах зоной проводимости называется наивысшая разрешённая зона, в которой находятся электроны.
Энергетические диаграммы проводников (а), полупроводников (б) и диэлектриков (в) при температуре, близкой к абсолютному нулю.
Энергетические диаграммы диэлектриков, полупроводников и проводников
Полупроводник – материал, который по своей удельной проводимости занимает
промежуточное место между проводниками и диэлектриками.
Отличие от проводников — сильная зависимость удельной проводимости от 1) концентрации примесей, 2). температуры и 3). воздействия различных видов излучения.
Полупроводниками являются вещества, ширина запрещённой зоны которых составляет порядка нескольких электрон-вольт (эВ).
Алмаз — широкозонный полупроводник. Арсенид индия — узкозонный полупроводник.
К полупроводникам относятся:
•многие химические элементы (германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и другие),
•огромное количество сплавов
•химические соединения (арсенид галлия и др.).
•почти все неорганические вещества.
Самым распространённым в природе полупроводником является кремний,
составляющий почти 30 % земной коры.
Собственная проводимость полупроводников
Собственная проводимость – свойство чистых полупроводников.
Под воздействием внешних факторов (температура, облучение, сильное электрическое поле и т.д.) электроны из валентной зоны могут быть переброшены в зону проводимости, что и обуславливает появление электрического тока.
Разрыв валентных связей приводит к образованию свободных мест (дырок), которые может занять любой электрон.
Дырка представляет собой положительный заряд, который движется противоположно электрону, по направлению внешнего поля.
Такая проводимость называется дырочной или p-типа (positive — положительный). Проводимость полупроводников появляется только под воздействием внешних факторов.
При определенной температуре между генерацией электронов и дырок и обратным процессом (рекомбинацией) наступает равновесие, при котором устанавливается определенная концентрация носителей заряда.
Примесная проводимость полупроводников
Примесная проводимость обусловлена внесенными в полупроводник примесями мышьяка (V), бора (III) и др.
Проводимость n-типа (negative — отрицательный)
Кремний (IV) + мышьяк (V) — между атомами мышьяка и кремния будет оставаться «лишний» свободный электрон проводимости. При этом образования дырки не произойдет, проводимость обеспечивается только электронами (донорная примесь).
Проводимость p-типа (positive — положительный)
Кремний (IV) + индий (III) — в кристаллической решетке не будет хватать электрона, образуется дырка. В этом случае имеет место дырочная проводимость (акцепторная примесь). Примесная проводимость обусловлена носителями одного знака (или электронами, или дырками).
Примесь бора в кремнии (1/ 105 атомов) уменьшает удельное электрическое
сопротивление кремния 1000 раз.
Примесь индия в германии 1/ (108 — 109 атомов) уменьшает удельное электрическое сопротивление германия в миллионы раз.
Контактные явления в металлах
Если два металла привести в соприкосновение, то между ними возникает
разность потенциалов. Если металлы Al, Zn, Sn, Pb, Sb, Bi, Hg, Fe, Cu, Ag, Au, Pt, Pd (ряд Вольта) привести в соприкосновение в этой последовательности, то каждый предыдущий при соприкосновении с одним из следующих металлов зарядится
положительно. Контактная разность потенциалов составляет от десятых до целых вольт. Это объясняется тем, что все металлы отличаются друг от друга различной концентрацией электронов. При контакте двух металлов электроны начнут проходить через границу раздела металлов и возникает двойной электрический слой с разностью потенциалов.
Явление Зеебека (1821). Если спаи проводников находятся при разных температурах, то в цепи возникает термоэлектродвижущая сила, которая
зависит от разности температур контактов и природы применяемых материалов. Явление Зеебека используется для измерения температуры (термоэлементы, термопары).
Явление Пельтье (1834). При прохождении через контакт двух различных проводников электрического тока, в зависимости от его направления, помимо
джоулевой теплоты выделяется или поглощается дополнительная теплота. Явление Пельтье является обратным по отношению к явлению Зеебека.
Явление Пельтье используется в термоэлектрических полупроводниковых холодильниках.
Контактные явления в полупроводниках
При контакте двух полупроводников n-типа и p-типа в месте их соприкосновения образуется p-n-переход.
В области p-n-перехода энергетические зоны искривляются, в результате чего возникают потенциальные барьеры как для электронов, так и для дырок.
Какие частицы проводят электрический ток в полупроводниках металлах электролитах
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В МЕТАЛЛАХ, ПОЛУПРОВОДНИКАХ И ЭЛЕКТРОЛИТАХ
Наиболее убедительное доказательство электронной природы тока в металлах было получено в опытах с инерцией электронов (опыт Толмена и Стюарта).
Катушку с большим числом витков тонкой проволоки (рис. 1.8.1) приводили в быстрое вращение вокруг своей оси. Концы катушки с помощью гибких проводов были присоединены к чувствительному баллистическому гальванометру. Раскрученную катушку резко тормозили, и в цепи возникал кратковременный ток, обусловленный инерцией носителей заряда. Полный заряд, протекающий по цепи, измерялся гальванометром.
При торможении вращающейся катушки на каждый носитель заряда е массой т действует тормозящая сила, которая играет роль сторонней силы, т.е. силы неэлектрического происхождения: 
Сторонняя сила, отнесенная к единице заряда, по определению является напряженностью Еа поля сторонних сил:
Следовательно, в цепи при торможении катушки возникает электродвижущая сила
где / — длина проволоки катушки.
За время торможения катушки по цепи протекает заряд q, равный
где /— мгновенное значение силы тока в катушке; R — полное сопротивление цепи; ц0 — начальная линейная скорость проволоки.
Хорошая электропроводность металлов — следствие высокой концентрации свободных электронов, равной числу атомов в единице объема.
Предположение о том, что за электрический ток в металлах ответственны электроны, возникло значительно раньше опытов Толмена и Стюарта. Еще в 1900 г. немецкий ученый П. Друде (1863— 1906) на основе гипотезы о существовании свободных электронов в металлах создал электронную теорию проводимости металлов. Эта теория получила развитие в работах голландского физика X. Лоренца (1853—1928), ее назвают классической электронной теорией. Согласно этой теории электроны в металлах ведут себя, как электронный газ, во многом похожий на идеальный газ.
Электронный газ заполняет пространство между ионами, образующими кристаллическую решетку металла. Из-за взаимодействия с ионами электроны могут покинуть металл, лишь преодолев так называемый потенциальный барьер. Высоту этого барьера называют работой выхода.
При обычных (комнатных) температурах электронам не хватает энергии для преодоления потенциального барьера. Согласно теории Друде — Лоренца электроны обладают такой же средней энергией теплового движения, как и молекулы одноатомного идеального газа. Это позволяет оценить среднюю скорость теплового движения электронов по формулам молекулярно-кинетической теории: птеп = 10 5 м/с.
При наложении внешнего электрического поля в металлическом проводнике, кроме теплового движения электронов, возникает их упорядоченное движение (дрейф), т.е. электрический ток. Дрейфовая скорость электронов составляет 0,6. 6 мм/с. Таким образом, средняя скорость упорядоченного движения электронов в металлических проводниках на много порядков меньше средней скорости их теплового движения.
Малая скорость дрейфа не противоречит опытному факту, что ток во всей цепи постоянного тока устанавливается практически мгновенно. Замыкание цепи вызывает распространение электрического поля со скоростью с = 3 • 10 8 м/с. Через время т = 1/с (/ — длина цепи) вдоль цепи устанавливается стационарное распределение электрического поля, и в ней начинается упорядоченное движение электронов.
Классическая электронная теория металлов предполагает, что движение электронов подчиняется законам механики Ньютона. В этой теории пренебрегают взаимодействием электронов между собой, а их взаимодействие с положительными ионами сводят только к соударениям. Предполагается также, что при каждом соударении электрон передает решетке всю накопленную в электрическом поле энергию, и поэтому после соударения он начинает движение с нулевой дрейфовой скоростью.
Несмотря на то, что все эти допущения являются весьма приближенными, классическая электронная теория качественно объясняет законы электрического тока в металлических проводниках (закон Ома, закон Джоуля — Ленца) и существование электрического сопротивления металлов.
Закон Ома: 
Электрическое сопротивление проводника: 
Закон Джоуля — Ленца: 
Однако в ряде вопросов классическая электронная теория приводит к выводам, находящимся в противоречии с опытом. Она не может, например, объяснить, почему молярная теплоемкость металлов, так же как и молярная теплоемкость диэлектрических кристаллов, равна 3R (закон Дюлонга и Пти). Классическая электронная теория не может также объяснить температурную зависимость удельного сопротивления металлов: теория дает р
VT, в то время как из эксперимента получают зависимость р
Т. Наиболее ярким примером расхождения теории и опытов является сверхпроводимость.
Зонная модель электронной проводимости металлов. Качественное различие между металлами, полупроводниками, диэлектриками состоит в характере зависимости удельной проводимости от температуры. В металлах с ростом температуры проводимость падает, а в полупроводниках и диэлектриках — растет. При Т -» О К (температура в градусах Кельвина) в чистых металлах проводимость а —>
В полупроводниках и диэлектриках при Т -> О К а —> 0. Качественного различия между полупроводниками и диэлектриками в отношении электропроводности нет.
Проявление у одних веществ металлических свойств, а у других полупроводниковых и диэлектрических может быть последовательно объяснено только в рамках квантовой теории.
Согласно квантовым представлениям энергия электронов в атоме может изменяться дискретно. Причем, согласно принципу Паули, в одном квантовом состоянии может находиться не более одного электрона. В результате электроны не собираются на каком-то одном энергетическом уровне, а последовательно заполняют разрешенные энергетические уровни в атоме, формируя его электронные оболочки.
При сближении большого числа атомов и образовании кристаллической структуры химические связи между атомами образуются за счет электронов, находящихся во внешних, валентных, электронных оболочках.
Из принципа Паули следует, что атомы не могут образовать плотную массу, поскольку в этом случае в одном квантовом состоянии оказалось бы много частиц с полуцелым спином — собственным моментом количества движения (L = h/2). Такие частицы называют фермионами, и к ним, в частности, относятся электроны, протоны, нейтроны. Названы они так в честь итальянского физика Э. Ферми (1901—1954), впервые описавшего особенности поведения коллективов таких частиц. При сближении большого числа атомов в пределах твердого тела происходит расщепление исходного энергетического уровня валентного электрона в атоме на N подуровней (N — число атомов, образующих кристалл). В результате образуется зона разрешенных энергетических уровней для электронов в твердом теле (рис. 1.8.2).
В металлах внешние валентные оболочки заполнены не полностью, например, у атомов серебра Ag во внешней оболочке 5Н находится один электрон, в то время как, согласно принципу Паули, могло бы находиться два электрона с различными ориентациями спинов, но второго электрона во внешней оболочке атома серебра просто нет. При сближении N атомов Ag и расщеплении внешнего энергетического уровня 551 на N подуровней каждый из них заполняется уже двумя электронами с различными ориентациями спинов. В результате при сближении N атомов серебра возникает энергетическая зона, наполовину заполненная электронами. Энергию, соответствующую последнему заполненному электронному уровню при 0 К, называют энергией Ферми (ef
kTg). Расстояние АЕ между соседними энергетическими уровнями очень мало, поскольку N очень велико, до 10 23 см -3 , гр
1 . 10 эВ, АЕ = eF/N« kT
Расстояние между соседними разрешенными уровнями электронов в металлах много меньше энергии теплового движения электронов даже при самых низких температурах. Если поместить проводник в электрическое поле, включив его, например, в замкнутую цепь с источником ЭДС, то электроны начнут перемещаться из точки проводника с меньшим потенциалом к точке с большим потенциалом, так как их заряд отрицателен. Но движение в электрическом поле означает увеличение энергии электрона, а по квантовым представлениям переход на более высокий энергетический уровень электрона возможен, если этот соседний уровень свободен. В металлах таких свободных уровней для электронов, находящихся вблизи уровня Ферми, вполне достаточно, поэтому металлы хорошие проводники электрического тока.
Какие вещества проводят электрический ток
Как известно, электрическим током называется упорядоченное движение носителей электрического заряда. Такими носителями заряда могут выступать электроны — в металлах, в полупроводниках и в газах; ионы — в электролитах и в газах; а в полупроводниках носителями электрического заряда выступают еще и дырки — незаполненные валентные связи в атомах, равные по модулю заряду электрона, но имеющие положительный заряд.
Задаваясь вопросом о том, какие же вещества проводят электрический ток, нам придется порассуждать о том, благодаря чему в первую очередь возникает ток, а именно — о наличии в тех или иных веществах заряженных частиц. Ток смещения рассматривать здесь не будем, поскольку он не является током проводимости, и поэтому не относится напрямую к данному вопросу.
По праву главными проводниками электрического тока во всей современной электротехнике выступают металлы. Для металлов характерна слабая связь валентных электронов, то есть электронов внешних энергетических уровней атомов, с ядрами этих атомов.
И как раз благодаря слабости данных связей, при возникновении по какой-нибудь причине в проводнике разности потенциалов (вихревое электрическое поле или приложенное напряжение), электроны эти начинают лавинообразно перемещаться в ту или иную сторону, возникает движение электронов проводимости внутри кристаллической решетки, словно движение «электронного газа».
Характерные представители металлических проводников: медь, алюминий, вольфрам.
Далее по списку — полупроводники. Полупроводники, по способности проводить электрический ток, занимают промежуточное положение между проводниками вроде медных проводов и диэлектриками вроде оргстекла. Здесь один электрон связан сразу с двумя атомами — атомы находятся в ковалентных связях друг с другом — поэтому для того чтобы каждый отдельно рассматриваемый электрон начал двигаться создавая ток, ему сначала необходимо получить энергию для реализации возможности покинуть свой атом.
Например, полупроводник можно нагреть, и некоторые из электронов начнут покидать свои атомы, то есть возникнет условие для существования тока — в кристаллической решетке появятся свободные носители заряда — электроны и дырки (на месте откуда электрон ушел, сначала остается вакантное пустое место с положительным зарядом — дырка, которое затем занимается электроном из другого атома). Яркими представителями чистых полупроводников являются: германий, кремний, бор. Соединения здесь не рассматриваем.
Электролиты тоже способны проводить ток благодаря наличию в них свободных носителей заряда. Но электролиты — это проводники второго рода. Свободными носителями заряда в электролитах являются ионы (положительные ионы называются катионами, отрицательные — анионами).
Катионы и анионы образуются здесь благодаря процессу электролитической диссоциации (распаду молекул на части — на отдельные ионы) кислот, щелочей, оснований в их растворах или расплавах. Одновременно с диссоциацией протекает ассоциация ионов снова в молекулы — это называется динамическим равновесием в электролите. Пример электролита — 40% раствор серной кислоты в воде.
Наконец, плазма — ионизированный газ — четвертое агрегатное состояние вещества. В плазме электрический заряд переносится электронами, а также катионами и анионами, образуемыми благодаря нагреванию газа или под действием на него рентгеновского, ультрафиолетового или другого излучения (либо под действием одновременно и нагревания и излучения). Плазма квазинейтральна, то есть внутри нее в малых объемах суммарный заряд всюду равен нулю. Но в силу подвижности частиц газа, плазма все же способна проводить электрический ток.
Вообще плазма экранирует внешнее электрическое поле так как в ней разделяются этим полем заряды, но в силу того, что тепловое движение носителей заряда присутствует, на малых масштабах квазинейтральность плазмы нарушается, и плазма практически получает способность проводить электрический ток. Все межзвездное пространство во вселенной заполнено плазмой, и сами звезды состоят из плазмы.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
III. Основы электродинамики
Как известно, химически чистая (дистиллированная) вода является плохим проводником. Однако при растворении в воде различных веществ (кислот, щелочей, солей и др.) раствор становится проводником, из-за распада молекул вещества на ионы. Это явление называется электролитической диссоциацией, а сам раствор электролитом, способным проводить ток.
В отличие от металлов и газов прохождение тока через электролит сопровождается химическими реакциями на электродах, что приводит к выделению на них химических элементов, входящих в состав электролита.
Первый закон Фарадея: масса вещества, выделяющегося на каком-либо из электродов, прямо пропорциональна заряду, прошедшему через электролит
Электрохимический эквивалент вещества — табличная величина.
Второй закон Фарадея:
Протекание тока в жидкостях сопровождается выделением теплоты. При этом выполняется закон Джоуля-Ленца.
Электрический ток в металлах
При прохождении тока металлы нагреваются. В результате чего ионы кристаллической решетки начинают колебаться с большей амплитудой вблизи положений равновесия. В результате этого поток электронов чаще соударяется с кристаллической решеткой, а следовательно возрастает сопротивление их движению. При увеличении температуры растет сопротивление проводника.
Каждое вещество характеризуется собственным температурным коэффициентом сопротивления — табличная величина. Существуют специальные сплавы, сопротивление которых практически не изменяется при нагревании, например манганин и константан.
Явление сверхпроводимости. При температурах близких к абсолютному нулю (-273 0 C) удельное сопротивление проводника скачком падает до нуля. Сверхпроводимость — микроскопический квантовый эффект.
Применение электрического тока в металлах
Лампа накаливания производит свет за счет электрического тока, протекающего по нити накала. Материал нити накала имеет высокую температуру плавления (например, вольфрам), так как она разогревается до температуры 2500 – 3250К. Нить помещена в стеклянную колбу с инертным газом.
Электрический ток в газах
Газы в естественном состоянии не проводят электричества (являются диэлектриками), так как состоят из электрически нейтральных атомов и молекул. Проводником может стать ионизированный газ, содержащий электроны, положительные и отрицательные ионы.
Ионизация может возникать под действием высоких температур, различных излучений (ультрафиолетового, рентгеновского, радиоактивного), космических лучей, столкновения частиц между собой.
Ионизированное состояние газа получило название плазмы. В масштабах Вселенной плазма — наиболее распространенное агрегатное состояние вещества. Из нее состоят Солнце, звезды, верхние слои атмосферы.
Прохождение электрического тока через газ называется газовым разрядом.
В «рекламной» неоновой трубке протекает тлеющий разряд. Светящийся газ представляет собой «живую плазму».
Между электродами сварочного аппарата возникает дуговой разряд.
Дуговой разряд горит в ртутных лампах — очень ярких источниках света.
Искровой разряд наблюдаем в молниях. Здесь напряженность электрического поля достигает пробивного значения. Сила тока около 10 МА!
Для коронного разряда характерно свечение газа, образуя «корону», окружающую электрод. Коронный разряд — основной источник потерь энергии высоковольтных линий электропередачи.
Электрический ток в вакууме
А возможно ли распространение электрического тока в вакууме (от лат. vacuum — пустота)? Поскольку в вакууме нет свободных носителей зарядов, то он является идеальным диэлектриком. Появление ионов привело бы к исчезновению вакуума и получению ионизированного газа. Но вот появление свободных электронов обеспечит протекание тока через вакуум. Как получить в вакууме свободные электроны? С помощью явления термоэлектронной эмиссии — испускания веществом электронов при нагревании.
Вакуумный диод, триод, электронно-лучевая трубка (в старых телевизорах) — приборы, работа которых основана на явлении термоэлектронной эмиссии. Основной принцип действия: наличие тугоплавкого материала, через который протекает ток — катод, холодный электрод, собирающий термоэлектроны — анод.
Электрический ток
Электрический ток — направленное движение заряженных частиц в электрическом поле.
Заряженными частицами могут являться электроны или ионы (заряженные атомы).
Атом, потерявший один или несколько электронов, приобретает положительный заряд. — Анион (положительный ион).
Атом, присоединивший один или несколько электронов, приобретает отрицательный заряд. — Катион (отрицательный ион).
Ионы в качестве подвижных заряженных частиц рассматриваются в жидкостях и газах.
В металлах носителями заряда являются свободные электроны, как отрицательно заряженные частицы.
В полупроводниках рассматривают движение (перемещение) отрицательно заряженных электронов от одного атома к другому и, как результат, перемещение между атомами образовавшихся положительно заряженных вакантных мест — дырок.
За направление электрического тока условно принято направление движения положительных зарядов. Это правило было установлено задолго до изучения электрона и сохраняется до сих пор. Так же и напряжённость электрического поля определена для положительного пробного заряда.
На любой единичный заряд q в электрическом поле напряженностью E действует сила F = qE, которая перемещает заряд в направлении вектора этой силы.
На рисунке показано, что вектор силы F— = -qE, действующей на отрицательный заряд -q, направлен в сторону противоположную вектору напряжённости поля, как произведение вектора E на отрицательную величину. Следовательно, отрицательно заряженные электроны, которые являются носителями зарядов в металлических проводниках, в реальности имеют направление движения, противоположное вектору напряжённости поля и общепринятому направлению электрического тока.
Количество заряда Q = 1 Кулон, перемещённое через поперечное сечение проводника за время t = 1 секунда, определится величиной тока I = 1 Ампер из соотношения:
Отношение величины тока I = 1 Aмпер в проводнике к площади его поперечного сечения S = 1 m 2 определит плотность тока j = 1 A/m 2 :
Работа A = 1 Джоуль, затраченная на транспортировку заряда Q = 1 Кулон из точки 1 в точку 2 определит значение электрического напряжения U = 1 Вольт, как разность потенциалов φ1 и φ2 между этими точками из расчёта:
Электрический ток может быть постоянным или переменным.
Постоянный ток — электрический ток, направление и величина которого не меняются во времени.
Переменный ток — электрический ток, величина и направление которого меняются с течением времени.
Ещё в 1826 году немецкий физик Георг Ом открыл важный закон электричества, определяющий количественную зависимость между электрическим током и свойствами проводника, характеризующими их способность противостоять электрическому току.
Эти свойства впоследствии стали называть электрическим сопротивлением, обозначать буквой R и измерять в Омах в честь первооткрывателя.
Закон Ома в современной интерпретации классическим соотношением U/R определяет величину электрического тока в проводнике исходя из напряжения U на концах этого проводника и его сопротивления R:
Электрический ток в проводниках
В проводниках имеются свободные носители зарядов, которые под действием силы электрического поля приходят в движение и создают электрический ток.
В металлических проводниках носителями зарядов являются свободные электроны.
С повышением температуры хаотичное тепловое движение атомов препятствует направленному движению электронов и сопротивление проводника увеличивается.
При охлаждении и стремлении температуры к абсолютному нулю, когда прекращается тепловое движение, сопротивление металла стремится к нулю.
Электрический ток в жидкостях (электролитах) существует как направленное движение заряженных атомов (ионов), которые образуются в процессе электролитической диссоциации.
Ионы перемещаются в сторону электродов, противоположных им по знаку и нейтрализуются, оседая на них. — Электролиз.
Анионы — положительные ионы. Перемещаются к отрицательному электроду — катоду.
Катионы — отрицательные ионы. Перемещаются к положительному электроду — аноду.
Законы электролиза Фарадея определяют массу вещества, выделившегося на электродах.
При нагревании сопротивление электролита уменьшается из-за увеличения числа молекул, разложившихся на ионы.
Электрический ток в газах — плазма. Электрический заряд переносится положительными или отрицательными ионами и свободными электронами, которые образуются под действием излучения.
Существует электрический ток в вакууме, как поток электронов от катода к аноду. Используется в электронно-лучевых приборах — лампах.
Электрический ток в полупроводниках
Полупроводники занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками по своему удельному сопротивлению.
Знаковым отличием полупроводников от металлов можно считать зависимость их удельного сопротивления от температуры.
С понижением температуры сопротивление металлов уменьшается, а у полупроводников, наоборот, возрастает.
При стремлении температуры к абсолютному нулю металлы стремятся стать сверхпроводниками, а полупроводники — изоляторами.
Дело в том, что при абсолютном нуле электроны в полупроводниках будут заняты созданием ковалентной связи между атомами кристаллической решётки и, в идеале, свободные электроны будут отсутствовать.
При повышении температуры, часть валентных электронов может получать энергию, достаточную для разрыва ковалентных связей и в кристалле появятся свободные электроны, а в местах разрыва образуются вакансии, которые получили название дырок.
Вакантное место может быть занято валентным электроном из соседней пары и дырка переместится на новое место в кристалле.
При встрече свободного электрона с дыркой, восстанавливается электронная связь между атомами полупроводника и происходит обратный процесс – рекомбинация.
Электронно-дырочные пары могут появляться и рекомбинировать при освещении полупроводника за счет энергии электромагнитного излучения.
В отсутствие электрического поля электроны и дырки участвуют в хаотическом тепловом движении.
В электрическое поле в упорядоченном движении участвуют не только образовавшиеся свободные электроны, но и дырки, которые рассматриваются как положительно заряженные частицы. Ток I в полупроводнике складывается из электронного In и дырочного Ip токов.
К числу полупроводников относятся такие химические элементы, как германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и др. Самым распространенным в природе полупроводником является кремний.
Какие вещества проводят электрический ток?
Из школьного курса физики известно, что электрический ток представляет собой упорядоченное движение заряженных частиц. При этом должно соблюдаться как минимум два условия — это наличие свободных носителей заряда и присутствие электрического поля. Рассмотрим более подробно какие вещества проводят электрический ток, и какие условия для этого должны быть созданы.
Общим для всех вариантов будет обязательное наличие поля, только в этом случае возможно создание силы, которая будет приложена к заряду для его перемещения от одного электрода к другому.
Способность различных веществ проводить электрический ток
Если не принимать во внимание физическое состояние, то все материалы можно условно разделить на три группы по степени проводимости электричества:
- проводники;
- полупроводники;
- диэлектрики.
Рассмотрим каждый случай более подробно.
Проводники
К этой группе можно отнести вещества, которые проводят электрический ток великолепно. Это – металлы, электролиты и ионизированные газы.
Металлы как проводники электрического тока
Первая подгруппа веществ имеет кристаллическую решетку и отличается большим наличием свободных электронов, которые и являются носителями заряда при создании соответствующих условий, в частности электрического поля. Их расплавы проводят электрический ток не хуже, чем в твердой фазе. Не стоит забывать, что металлы могут быть и в жидком состоянии, примером чего является ртуть. Но наибольшее распространение, в качестве проводников, получили твердые фазы этих веществ. При взаимодействии с кислородом металл образуют оксиды, которые проводят электрический ток только при определенных условиях и по своей сути являются полупроводниками. Речь о них пойдет ниже. Из металлов отличной электропроводностью обладают медь, алюминий, железо, серебро и др.
Жидкие проводники электрического тока
Под жидкими проводниками понимают кислоты, растворы, электролиты, которые проводят электрический ток. Носителем заряда в данных случаях являются ионы. Необходимо отметить, распространенное убеждение что вода является проводником, в корне неверно. Когда Н2О находиться в чистом состоянии, свободные ионы в ней отсутствуют. Если при помещении в воду электродов наблюдается протекание электрического тока, то это говорит только о том, что в данном случае мы имеем дело с раствором какого-либо вещества.
Полупроводники
Это особая группа веществ, которая проводит электрический ток при создании определенных условий. В кристаллической решетке полупроводников наблюдается крайне ограниченное наличие свободных носителей зарядов. Но при создании соответствующих условий, например, при воздействии света, понижении или повышении температуры, или каких-либо специфических факторов количество освобожденных носителей возрастает.
Вещества, которые проводят электрический ток и относятся к группе полупроводников обладают одной особенностью – под воздействием внешних факторов связанные электроны покидают свое место, и образуют т.н. «дырку». Она имеет положительный заряд. При создании электрического поля электроны и «дырки» двигаются навстречу друг другу, образуя электрический ток. Такая особенность называется электронно-дырочной проводимостью. Наиболее распространенными полупроводниками считаются кремний, германий, селен, галлий, теллур и т.д.
Диэлектрики
В диэлектриках свободные носители заряда отсутствуют. Протекание электрического тока в таких веществах невозможно при стандартных внешних условиях. Наиболее популярными материалами, которые не проводят электрический ток является слюда, керамика, резина и каучуки.
Также к ним можно отнести воздух и определенные виды газов, но для них, определяющим будет являться степень загрязнения. При наличии достаточного количества свободных ионов, диэлектрические свойства они утрачивают. Таким образом нельзя слепо полагаться что какое-либо вещество является абсолютным диэлектриком и не проводит электричество. При определенных обстоятельства большая часть веществ, заведомо считающихся диэлектриками могут приобретать свойства полупроводников.
Так, например, оксид железа, который в обычных условиях препятствует протеканию электрического тока, при повышении давления и температуры переходит в состояние проводимости, при этом внутренняя его структура не нарушается.
Подводя итоги, отметим что качественное различие веществ, пропускающих или препятствующих протеканию электрического тока является их проводящее состояние. Для металлов оно является постоянным, а для диэлектриков и полупроводников возбужденной фазой. Количественное определение проводимости выражается через удельное электрическое сопротивление.
§ 3.1. Электрическая проводимость различных веществ
Из школьного курса физики известно, что электрический ток представляет собой упорядоченное движение заряженных частиц. При этом должно соблюдаться как минимум два условия — это наличие свободных носителей заряда и присутствие электрического поля. Рассмотрим более подробно какие вещества проводят электрический ток, и какие условия для этого должны быть созданы.
Общим для всех вариантов будет обязательное наличие поля, только в этом случае возможно создание силы, которая будет приложена к заряду для его перемещения от одного электрода к другому.
Способность различных веществ проводить электрический ток
Если не принимать во внимание физическое состояние, то все материалы можно условно разделить на три группы по степени проводимости электричества:
Рассмотрим каждый случай более подробно.
Проводники
К этой группе можно отнести вещества, которые проводят электрический ток великолепно. Это – металлы, электролиты и ионизированные газы.
Металлы как проводники электрического тока
Первая подгруппа веществ имеет кристаллическую решетку и отличается большим наличием свободных электронов, которые и являются носителями заряда при создании соответствующих условий, в частности электрического поля. Их расплавы проводят электрический ток не хуже, чем в твердой фазе. Не стоит забывать, что металлы могут быть и в жидком состоянии, примером чего является ртуть. Но наибольшее распространение, в качестве проводников, получили твердые фазы этих веществ. При взаимодействии с кислородом металл образуют оксиды, которые проводят электрический ток только при определенных условиях и по своей сути являются полупроводниками. Речь о них пойдет ниже. Из металлов отличной электропроводностью обладают медь, алюминий, железо, серебро и др.
Жидкие проводники электрического тока
Под жидкими проводниками понимают кислоты, растворы, электролиты, которые проводят электрический ток. Носителем заряда в данных случаях являются ионы. Необходимо отметить, распространенное убеждение что вода является проводником, в корне неверно. Когда Н2О находиться в чистом состоянии, свободные ионы в ней отсутствуют. Если при помещении в воду электродов наблюдается протекание электрического тока, то это говорит только о том, что в данном случае мы имеем дело с раствором какого-либо вещества.
Электрическая цепь и ее составные части
Источником электрического тока может служить батарея (гальванический элемент).
На электростанции электрический ток вырабатывают генераторы, приводимые в действие от паровых и гидравлических турбин.
Электродвигатели, лампы, плитки, работающие от электрического тока, называют приемниками или потребителями. Электрическую энергию доставляют к приемнику по проводам.
Чтобы включать и выключать в нужное время приемники электричества, применяют выключатели. Источник тока, приемники и выключатели, соединенные между собой проводами, составляют электрическую цепь.
Чтобы в цепи был ток, она должна быть замкнутой, т. е. состоять только из проводников электричества. Если в каком-нибудь месте провод оборвется или вместо него будет поставлен изолятор, ток в цели прекратится. Такую цепь называют разомкнутой.
Вопросы
- Какова роль источника тока в цепи?
- Из каких частей состоит электрическая цепь?
- Что такое замкнутая цепь? разомкнутая?
- Какие приемники или потребители вы знаете?
Полупроводники
Это особая группа веществ, которая проводит электрический ток при создании определенных условий. В кристаллической решетке полупроводников наблюдается крайне ограниченное наличие свободных носителей зарядов. Но при создании соответствующих условий, например, при воздействии света, понижении или повышении температуры, или каких-либо специфических факторов количество освобожденных носителей возрастает.
Вещества, которые проводят электрический ток и относятся к группе полупроводников обладают одной особенностью – под воздействием внешних факторов связанные электроны покидают свое место, и образуют т.н. «дырку». Она имеет положительный заряд. При создании электрического поля электроны и «дырки» двигаются навстречу друг другу, образуя электрический ток. Такая особенность называется электронно-дырочной проводимостью. Наиболее распространенными полупроводниками считаются кремний, германий, селен, галлий, теллур и т.д.
Может ли птицу ударить током?
Несмотря на то, что птицы могут спокойно сидеть на проводах, это ещё не является гарантией их безопасности. Любая птица может умереть при некоторых условиях.
- Когда птица садится на провода под напряжением, её не ударит током при условии, что обе её лапки находятся на одном и том же проводе.
- Если во время приземления у птицы в клюве будет находиться какой-то предмет, который проводит электричество (проволока, влажная ветка), то её почти наверняка убьёт током.
- Почти наверняка птица погибнет, если во время приземления на провода соприкоснётся крыльями между проводами фазы или заземлённой опорой. В этом случае происходит что-то вроде короткого замыкания: тело птицы подвергается удару током в несколько тысяч ампер, шансы выжить у неё практически равны нулю.
- Если воздух влажный, ионизированный, а напряжение в проводах высокое, птичку тоже может ударить током: такой воздух способен проводить электрический ток.
- Если в процессе отдыха птица прикоснётся к столбу, она станет проводником между разными потенциалами, а, значит, её ждёт удар током.
- В ветреную погоду птица случайно может коснуться другого провода, то есть она станет проводником.
Диэлектрики
В диэлектриках свободные носители заряда отсутствуют. Протекание электрического тока в таких веществах невозможно при стандартных внешних условиях. Наиболее популярными материалами, которые не проводят электрический ток является слюда, керамика, резина и каучуки.
Также к ним можно отнести воздух и определенные виды газов, но для них, определяющим будет являться степень загрязнения. При наличии достаточного количества свободных ионов, диэлектрические свойства они утрачивают. Таким образом нельзя слепо полагаться что какое-либо вещество является абсолютным диэлектриком и не проводит электричество. При определенных обстоятельства большая часть веществ, заведомо считающихся диэлектриками могут приобретать свойства полупроводников.
Так, например, оксид железа, который в обычных условиях препятствует протеканию электрического тока, при повышении давления и температуры переходит в состояние проводимости, при этом внутренняя его структура не нарушается.
Подводя итоги, отметим что качественное различие веществ, пропускающих или препятствующих протеканию электрического тока является их проводящее состояние. Для металлов оно является постоянным, а для диэлектриков и полупроводников возбужденной фазой. Количественное определение проводимости выражается через удельное электрическое сопротивление.
При появлении в нашей жизни электричества, мало кто знал о его свойствах и параметрах, и в качестве проводников использовали различные материалы, было заметно, что при одной и той же величине напряжения источника тока на потребителе было разное значение напряжения. Было понятно, что на это влияет вид материала применяемого в качестве проводника. Когда ученные занялись вопросом по изучению этой проблемы они пришли к выводу, что в материале носителями заряда являются электроны. И способность проводить электрический ток обосабливается наличием свободных электронов в материале. Было выяснено, что у некоторых материалов этих электронов большое количество, а у других их вообще нет. Таким образом существуют материалы, которые хорошо проводят электрический ток, а некоторые не обладают такой способностью. Исходя из всего выше сказанного, все материалы поделились на три группы:
Каждая из групп нашла широкое применение в электротехнике.
Проводники
Проводниками являются материалы, которые хорошо проводят электрический ток, их применяют для изготовления проводов, кабельной продукции, контактных групп, обмоток, шин, токопроводящих жил и дорожек. Подавляющее большинство электрических устройств и аппаратов выполнена на основе проводниковых материалов. Мало того, скажу, что вся электроэнергетика не могла б существовать не будь этих веществ. В группу проводников входят все металлы, некоторые жидкости и газы.
Так же стоит упомянуть, что среди проводников есть супер проводники, сопротивление которых практически равно нулю, такие материалы очень редки и дороги. И проводники с высоким сопротивлением — вольфрам, молибден, нихром и т.д. Такие материалы используют для изготовления резисторов, нагревательных элементов и спиралей осветительных ламп.
Но львиная доля в электротехнической сфере принадлежит рядовым проводникам: медь, серебро, алюминий, сталь, различные сплавы этих металлов. Эти материалы нашли самое широкое и огромное применение в электротехнике, особенно это касается меди и алюминия, так как они сравнительно дешевы, и их применение в качестве проводников электрического тока наиболее целесообразно. Даже медь ограничена в своем использовании, её применяют в качестве обмоточных проводов, многожильных кабелях, и более ответственных устройствах, еще реже встречаются медные шинопроводы. А вот алюминий считается королем среди проводников электрического тока, пускай он обладает более высоким удельным сопротивлением чем медь, но это компенсируется его весьма низкой стоимостью и устойчивостью к коррозии. Он широко применяется в электроснабжении, в кабельной продукции, в воздушных линиях, шинопроводах, обычных проводах и т.д.
Полупроводники
Полупроводники, что-то среднее между проводниками и полупроводниками. Главной их особенностью является их зависимость проводить электрический ток от внешних условий. Ключевым условием является, наличие различных примесей в материале, которые как раз-таки обеспечивают возможность проводить электрический ток. Так же при определенной компоновку двух полупроводниковых материалов. На основе этих материалов на данный момент, произведено множество полупроводниковых устройств: диоды, светодиоды, транзисторы, семисторы, тиристоры, стабисторы, различные микросхемы. Существует целая наука, посвященная полупроводникам и устройствам на их основе: электронная техника. Все компьютеры, мобильные устройства. Да что там говорить, практически вся наша техника содержит в себе полупроводниковые элементы.
К полупроводниковым материалам относят: кремний, германий, графит, гр афен, индий и т.д.
Диэлектрики
Ну и последняя группа материалов, это диэлектрики, вещества не способные проводить электрический ток. К таким материалам относят: дерево, бумага, воздух, масло, керамика, стекло, пластмассы, полиэтилен, поливинилхлорид, резина и т.д. Диэлектрики получили широкое применение благодаря своим качествам. Их применяют в качестве изолирующего материала. Они предохраняют соприкосновение двух токоведущих частей, не допускают прямого прикосновения человека с этими частями. Роль диэлектриком в электротехнике не менее важна чем роль проводников, так как обеспечивают стабильную, безопасную работу всех электротехнических и электронных устройств. У всех диэлектриков существует предел, до которого они не способны проводить электрический ток, его называют пробивным напряжением. Это такой показатель, при котором диэлектрик начинает пропускать электрический ток, при этом происходит выделение тепла и разрушение самого диэлектрика. Это значение пробивного напряжения для каждого диэлектрического материала разное и приведено в справочных материалах. Чем он выше, тем лучше, надежней считается диэлектрик.
Параметром, характеризующим способность проводить электрический ток является удельное сопротивление R, единица измерения [Ом] и проводимость, величина обратная сопротивлению. Чем выше этот параметр, тем хуже материал проводит электрический ток. У проводников он равен от нескольких десятых, до сотен Ом. У диэлектриков сопротивление достигает десятков миллионов ом.
Все три вида материалов нашли широкое применение в электроэнергетике и электротехнике. А так же тесно взаимосвязаны друг с другом.
Проводники
Это вещества, в которых большая концентрация свободных носителей заряда. К ним относятся металлы, электролиты и ионизированный газ.
В металлах свободными носителями заряда являются свободные электроны, в электролитах и ионизированном газе ионы. Положительно заряженные ионы называются катионами, отрицательно заряженные ионы анионы.
Под действием электрического поля электроны в металлах, ионы в электролитах и газе начинают упорядоченно двигаться, образовывая электрический ток. К электролитам относят водные растворы солей и кислот.
У металлов проводимость электронная, в электролитах и ионизированном газе ионная.
Применение электролиза
Рафинирование (очистка) металлов
Процесс происходит в электролитической ванне. Анодом служит металл, подлежащий очистке, катодом – тонкая пластинка из чистого металла, а электролитом – раствор соли данного металла, например при рафинировании меди – раствор медного купороса.
При определенных условиях на катоде выделяется чистая медь, а примеси выпадают в виде осадка или переходят в раствор.
Электрометаллургия
Некоторые металлы, например алюминий, получают методом электролиза из расплавленной руды. Электролитической ванной и одновременно катодом служит железный ящик с угольным подом, а анодом – угольные стержни. Температура руды (около 9000 С) поддерживается протекающим в ней током. Расплавленный алюминий опускается на дно ящика, откуда его через отверстие выпускают в форму для отливки.
Полупроводники
Вещества, концентрация свободных носителей электрического заряда зависит от внешних условий (температуры, освещенности и т.д.).
При повышении температуры (освещенности) у вещества, вследствие теплового движения, некоторые электроны становятся свободными, а их место становится вакантным. Место, которое покинул электрон, называется «дырка», она имеет положительный электрический заряд.
При наличии электрического поля «дырки» и электроны двигаются в противоположенных направлениях, образовывают направленное движения электрических зарядов, то есть электрический ток. У полупроводников электронно-дырочная проводимость электрического тока, которая зависит от внешних факторов.