Электрический ток в различных средах

Главное по теме

• В металлах ток создают свободные электроны, в электролитах - положительные и отрицательные ионы, в газах - ионы и электроны после ионизации, в полупроводниках - электроны и дырки.
• Сопротивление металлов при нагревании растёт: R = R₀(1 + α·Δt). Сопротивление полупроводников при нагревании падает.
• Сверхпроводимость: при очень низкой температуре сопротивление некоторых веществ падает до нуля.
• Электролиз: на электродах оседает вещество. Закон Фарадея: m = k · I · t, где k - электрохимический эквивалент вещества.
• Для электролиза: m = M · I · tF · n, F = 96500 Кл/моль - число Фарадея, n - валентность, M - молярная масса.
• Газ проводит ток только после ионизации. Самостоятельный разряд: молния, искра, дуга, тлеющий и коронный разряд.
• В вакууме ток возможен за счёт термоэлектронной эмиссии: нагретый катод испускает электроны. На этом работает вакуумный диод и электронно-лучевая трубка.
• Чистый полупроводник: проводимость электронная и дырочная. Примесь донорная даёт n-тип (электроны), акцепторная даёт p-тип (дырки).
• p-n переход пропускает ток в одну сторону (прямое включение) и почти не пропускает в обратную: на этом работает диод.

Задания с разбором

Где теряют баллы

• Ток в средах: металлы, электролиты, полупроводники, газы

  Ловушка: Думают, что в металле ток создают ионы; у полупроводника сопротивление с нагревом растёт, как у металла.

  Как решать: Металл: электроны, нагрев увеличивает R. Полупроводник: нагрев уменьшает R. Электролит: ионы, закон Фарадея m = kIt.

Объяснение простыми словами

Электрический ток это движение заряженных частиц, но что именно движется, зависит от среды. В проводе это одно, в растворе соли другое, в молнии третье, в процессоре компьютера четвёртое. В ЕНТ именно эта тема проверяет, понимаешь ли ты, какие частицы переносят заряд в разных средах, и умеешь ли применять закон Фарадея. Разберём среды по очереди.

Начнём с металлов. В металле атомы образуют решётку, а часть электронов отрывается от атомов и свободно бродит по всему куску. Их называют свободными электронами. Когда к проводнику прикладывают напряжение, электроны получают направленное движение, и это и есть ток. Ионы решётки остаются на местах, они лишь колеблются. Колебания мешают электронам, это и есть сопротивление. Поэтому при нагревании ионы колеблются сильнее, и сопротивление металла растёт: R = R₀(1 + α·Δt), где α температурный коэффициент (для большинства металлов около 0,004 К⁻¹). Пример: проволока 10 Ом при 0 градусах после нагрева на 50 градусов с α = 0,004 имеет R = 10 · (1 + 0,004·50) = 10 · 1,2 = 12 Ом.

Дальше в Biik: продолжение объяснения, видеоразбор и проверка из 8 заданий по этой теме.

Термины

Свободные электроны

Электроны в металле, которые не привязаны к конкретным атомам и могут перемещаться по всему проводнику.

Электрический ток в металлах

Упорядоченное движение свободных электронов под действием электрического поля.

Температурный коэффициент сопротивления α

Величина, показывающая, на какую долю меняется сопротивление проводника при нагревании на 1 градус: R = R₀(1 + α·Δt).

Сверхпроводимость

Явление, при котором сопротивление вещества при очень низкой температуре становится равным нулю.

Электролит

Раствор или расплав, который проводит ток за счёт движения ионов (например, раствор соли, кислоты или щёлочи).

Электролитическая диссоциация

Распад молекул вещества на положительные и отрицательные ионы при растворении в воде.

Ион

Атом или группа атомов, которые потеряли или получили электроны и потому имеют электрический заряд.

Электролиз

Выделение вещества на электродах при прохождении электрического тока через электролит.

Катод и анод

Катод - электрод, подключённый к минусу источника, он притягивает положительные ионы; анод - подключённый к плюсу, он притягивает отрицательные ионы.

Электрохимический эквивалент k

Масса вещества, выделяющаяся на электроде при прохождении через электролит заряда 1 Кл; единица - кг/Кл.

Закон Фарадея для электролиза

Масса вещества, выделившегося на электроде, пропорциональна заряду, прошедшему через электролит: m = k·I·t.

Число Фарадея F

Постоянная F = 96500 Кл/моль: заряд, который переносит один моль одновалентных ионов.

Ионизация газа

Превращение нейтральных атомов и молекул газа в ионы и свободные электроны под действием нагрева, излучения или столкновений.

Газовый разряд

Прохождение электрического тока через газ; бывает несамостоятельным (нужен внешний ионизатор) и самостоятельным.

Виды самостоятельного разряда

Искровой (молния), дуговой (сварка), тлеющий (лампы дневного света), коронный (около острий и проводов).

Плазма

Сильно ионизованный газ, в котором много свободных зарядов; такое состояние у Солнца, звёзд, молнии.

Термоэлектронная эмиссия

Испускание электронов нагретым металлом; лежит в основе работы вакуумных приборов.

Вакуумный диод

Двухэлектродная лампа, в которой нагретый катод испускает электроны к аноду; пропускает ток только в одном направлении.

Полупроводник

Вещество (кремний, германий), удельное сопротивление которого больше, чем у металлов, и сильно падает при нагревании, освещении или добавлении примесей.

Дырка

Свободное место, оставшееся после ухода электрона из связи; ведёт себя как положительный заряд и тоже участвует в проводимости.

Донорная и акцепторная примеси

Донорная примесь отдаёт лишние электроны (полупроводник n-типа), акцепторная примесь захватывает электроны и создаёт дырки (полупроводник p-типа).

p-n переход

Граница между полупроводниками p- и n-типа; обладает односторонней проводимостью и используется в диодах и транзисторах.