Тема 12

Электрический ток в различных средах

Что проверяют по спецификации:

Ток в металлах, зависимость сопротивления от температурыСверхпроводимостьТок в электролитах, законы ФарадеяТок в газах: самостоятельный и несамостоятельный разрядТок в вакууме, электронно-лучевая трубкаТок в полупроводниках: собственная и примесная проводимостьp–n-переход, диод, транзистор

Суть за минуту

Ток может идти в разных средах, но носители заряда в них разные. В металлах это свободные электроны, в электролитах — ионы, в газах — электроны и ионы, в вакууме — электроны, вылетевшие из нагретого катода, в полупроводниках — электроны и дырки. От вида носителей зависят свойства среды и её применение: от проводов и гальванопластики до диодов, транзисторов и солнечных батарей.

Главные формулы

R=R0(1+αt)R=R_0(1+\alpha t)
Зависимость сопротивления металла от температуры
m=kIt=kqm=kIt=kq
Первый закон Фарадея (k — электрохимический эквивалент)
k=MnF,F=eNA=96 500k=\dfrac{M}{nF},\quad F=eN_A=96\,500 Кл/моль
Второй закон Фарадея; постоянная Фарадея
mv22=eU\dfrac{mv^2}{2}=eU
Энергия электрона, ускоренного напряжением U
I=enSvI=enSv
Сила тока через концентрацию носителей и их скорость

Понятия и термины

Сверхпроводимость
Исчезновение сопротивления при охлаждении ниже критической температуры (Х. Камерлинг-Оннес, ртуть, 1911)
Электролит
Раствор или расплав, проводящий ток за счёт ионов (растворы солей, кислот, щелочей)
Электролиз
Выделение веществ на электродах при прохождении тока через электролит
Плазма
Частично или полностью ионизированный газ
Термоэлектронная эмиссия
Испускание электронов нагретыми металлами
Полупроводник
Вещество, сопротивление которого уменьшается при нагревании и освещении (кремний, германий)
Дырка
Вакантное место электрона в связи, ведёт себя как положительный заряд

Разбор темы

Ток в металлах

Носители — свободные электроны (опыты Толмена и Стюарта). Скорость их упорядоченного движения мала (доли мм/с), но поле распространяется со скоростью света, поэтому лампа загорается сразу.

При нагревании сопротивление металлов растёт: ионы решётки сильнее колеблются и мешают электронам. На этом основан термометр сопротивления.

Сверхпроводимость: ниже критической температуры сопротивление равно нулю. Применение — мощные электромагниты (МРТ, ускорители), поезда на магнитной подушке, кабели без потерь.

Ток в электролитах

При растворении молекулы распадаются на ионы (электролитическая диссоциация). Положительные ионы (катионы) идут к катоду, отрицательные (анионы) — к аноду.

Законы Фарадея: масса выделившегося вещества пропорциональна прошедшему заряду; электрохимический эквивалент пропорционален молярной массе и обратно пропорционален валентности.

Применение: гальваностегия (никелирование, хромирование, золочение), гальванопластика (копии), получение чистых металлов (алюминий, медь), аккумуляторы. С ростом температуры сопротивление электролитов уменьшается.

Ток в газах

Газ — диэлектрик, пока не ионизирован. Ионизаторы: нагрев, излучение, удары электронов.

Несамостоятельный разряд идёт только при действии ионизатора; самостоятельный поддерживается сам за счёт ударной ионизации.

Виды самостоятельного разряда: тлеющий (лампы дневного света, реклама), искровой (молния, свечи зажигания), коронный (около проводов ЛЭП), дуговой (сварка, прожекторы).

Ток в вакууме

В вакууме нет носителей, поэтому их создают термоэлектронной эмиссией из нагретого катода.

Вакуумный диод пропускает ток в одном направлении — от катода к аноду идут электроны.

Электронно-лучевая трубка: пучок электронов разгоняется, отклоняется полями и вызывает свечение экрана (старые телевизоры, осциллографы). Электронный пучок используют в электронных микроскопах и для сварки.

Полупроводники

Собственная проводимость: при нагревании электроны отрываются от атомов, образуются пары «электрон — дырка». С ростом температуры и освещённости сопротивление резко падает (термисторы, фоторезисторы).

Примесная проводимость: донорная примесь (фосфор, мышьяк в кремнии, валентность 5) даёт лишние электроны — полупроводник n-типа; акцепторная (бор, индий, валентность 3) — дырки, p-тип.

p–n-переход пропускает ток только в одном направлении: в прямом (p к «+») — ток большой, в обратном — почти нулевой. Это полупроводниковый диод — выпрямитель.

Транзистор (два p–n-перехода) усиливает сигналы и работает как ключ; миллиарды транзисторов в процессорах. Светодиоды, солнечные батареи, датчики — тоже полупроводниковые приборы.

Примеры задач с решением

Задача 1Сколько меди выделится на катоде при токе 2 А за 1 ч (k = 3,3 · 10⁻⁷ кг/Кл)?
  1. t=3600t=3600 с, q=It=7200q=It=7200 Кл.
  2. m=kq=3,3⋅10−7⋅7200≈2,4⋅10−3m=kq=3{,}3\cdot10^{-7}\cdot7200\approx2{,}4\cdot10^{-3} кг.
Ответ ≈ 2,4 г
Задача 2Сопротивление медной обмотки при 0 °C равно 10 Ом. Каким оно станет при 100 °C (α = 0,0043 К⁻¹)?
  1. R=R0(1+αt)=10⋅(1+0,43)=14,3R=R_0(1+\alpha t)=10\cdot(1+0{,}43)=14{,}3 Ом.
Ответ 14,3 Ом
Задача 3Какую скорость приобретёт электрон, ускоренный разностью потенциалов 100 В?
  1. v=2eUm=2⋅1,6⋅10−19⋅1009,1⋅10−31≈5,9⋅106v=\sqrt{\dfrac{2eU}{m}}=\sqrt{\dfrac{2\cdot1{,}6\cdot10^{-19}\cdot100}{9{,}1\cdot10^{-31}}}\approx5{,}9\cdot10^6 м/с.
Ответ ≈ 5,9 · 10⁶ м/с

Частые ловушки на ЕНТ

  • У металлов сопротивление с нагреванием растёт, у полупроводников и электролитов — падает.
  • Донорная примесь даёт n-тип (электроны), акцепторная — p-тип (дырки).
  • Диод пропускает ток, когда p-область соединена с «+».
  • При электролизе металлы выделяются на катоде (−).
  • Сверхпроводник имеет нулевое сопротивление, а не просто малое.

Запомнить

Металлы — электроны, электролиты — ионы, газы — ионы и электроны, вакуум — электроны, полупроводники — электроны и дырки. m = kIt.

Проверь себя

1. Какие частицы создают ток в металлах?
  1. Ионы
  2. Свободные электроны
  3. Протоны
  4. Дырки
Показать ответ

Свободные электроны Опыт Толмена–Стюарта.

2. Как меняется сопротивление полупроводника при нагревании?
  1. Растёт
  2. Падает
  3. Не меняется
  4. Сначала растёт
Показать ответ

Падает Появляется больше носителей.

3. Молния — это разряд:
  1. Тлеющий
  2. Искровой
  3. Коронный
  4. Дуговой
Показать ответ

Искровой Кратковременный мощный разряд.

4. Что такое гальваностегия?
  1. Получение копий
  2. Покрытие изделий слоем металла
  3. Выплавка стали
  4. Сварка
Показать ответ

Покрытие изделий слоем металла Никелирование, хромирование.

5. Примесь фосфора в кремнии создаёт проводимость:
  1. p-типа
  2. n-типа
  3. собственную
  4. сверхпроводимость
Показать ответ

n-типа У фосфора 5 валентных электронов.

Связанные темы

11. Постоянный ток22. Атомная и квантовая физика24. Нанотехнология и наноматериалы

Узнай свой уровень: бесплатная диагностика ЕНТ