Электрические токи в различных средах

В этом разделе мы попытаемся установить, какие частицы, переносят электрический заряд в различных средах.

Электрический ток в металлах

Металлы состоят из положительно заряженных ионов, находящихся в узлах кристаллической решетки и совокупности свободных электронов. Вне электрического поля свободные электроны движутся хаотически, подобно молекулам идеального газа, а потому рассматриваются в классической электронной теории как электронный газ.

Под действием внешнего электрического поля меняется характер движения свободных электронов внутри металла. Электроны, продолжая хаотичные движения, вместе с тем смещаются в направлении действия сил электрического поля.

Следовательно, электрический ток в металлах – это упорядоченное движение электронов.

Сила тока в металлическом проводнике определяется по формуле:

\(I=en_0\bar vS\),

где I – сила тока в проводнике,

e – модуль заряда электрона,

\(n_0\) – концентрация электронов проводимости,

\(\bar v\) – средняя скорость упорядоченного движения электронов,

S – площадь поперечного сечения проводника.

Плотность тока проводимости численно равна заряду, проходящему за 1 с через единицу площади поверхности, перпендикулярной направлению тока:

\(j=en_0\bar v\),

где \(j\) – плотность тока.

У большинства металлов практически каждый атом ионизирован. А так как концентрация электронов проводимости одновалентного металла равна

\(n_0=\frac {N_a}A\rho\),

где \(N_a \) – постоянная Авогадро, \(A\) – атомная масса металла, \(\rho\) – плотность металла,

то получаем, что концентрация определяется в пределах \(10^{28}-10^{29}\) м\(^{-3}\).

Электрический ток в растворах (расплавах) электролитов – это направленное перемещение ионов обоих знаков в противоположных направлениях.

Прохождение электрического тока через раствор электролита всегда сопровождается выделением на электродах веществ, входящих в его состав. Это явление называют электролизом.

При движении внутри электролитов ионы взаимодействуют с молекулами воды и другими ионами, т. е. электролиты оказывают некоторое противодействие движению, а, следовательно, обладают сопротивлением. Электрическое сопротивление электролитов зависит от концентрации ионов, величины заряда иона, от скорости движения ионов обоих знаков.

При нормальных условиях газы состоят из нейтральных молекул, а поэтому являются диэлектриками. Так как для получения электрического тока в газах необходимо наличие заряженных частиц, то молекулы газа следует ионизировать (оторвать электроны от молекул). Для ионизации молекул необходимо затратить энергию – энергию ионизации, количество которой зависит от рода вещества. Так, энергия ионизации минимальна для атомов щелочных металлов и максимальна для инертных газов.

Ионизировать молекулы можно при нагревании газа, при облучении его различного рода лучами. Благодаря дополнительной энергии возрастает скорость движения молекул, нарастает интенсивность их теплового движения и при соударении отдельные молекулы теряют электроны, превращаясь в положительно заряженные ионы.

В вакууме отсутствуют заряженные частиц, а следовательно, он является диэлектриком. Т. е. необходимо создать определенные условия, которые помогут получить заряженные частицы.

Свободные электроны есть в металлах. При комнатной температуре они не могут покинуть металл, т. к. удерживаются в нем силами кулоновского притяжения со стороны положительных ионов. Для преодоления этих сил электрону необходимо затратить определенную энергию, которая называется работой выхода. Энергию, большую или равную работе выхода, электроны могут получить при разогреве металла до высоких температур.