13. Электрический ток в разных средах. Базовый уровень

Электрический ток в проводниках

Одной из количественных характеристик любого движения является его интенсивность. Заряд, прошедший через поперечное сечение проводника за единицу времени, — это сила тока, характеристика интенсивности движения электрического заряда. Мы связали её с энергетическими характеристиками тока, научились решать задачи о работе электроприборов. Но, рассматривая движение заряда, мы мало внимания уделили тому, что именно движется и в какой среде.

Заряд, на первый взгляд, не связан с веществом. Но он не существует без носителя. А носители заряда — заряженные частицы — уже не получится рассмотреть в отрыве от самого вещества. До этого мы по умолчанию сосредоточились на токе в металлах, но свободные носители заряда есть и в некоторых жидкостях, а при определённых условиях — и в газах. Движение этих носителей заряда тоже создаёт электрический ток, и он наверняка чем-то отличается от тока в металлах. Сегодня мы об этом и поговорим.

Начнём с рассмотрения механизма протекания тока в металлах, который нам уже знаком. Носителями заряда в металлах являются свободные электроны. Наличие свободных электронов свойственно не только металлам и их сплавам, но и некоторым оксидам, солям, графиту. Для удобства классификации все вещества, которые проводят электрический ток благодаря наличию свободных электронов, объединили в условную группу проводников первого рода. Но так как самые широко используемые из этой группы материалов — металлы, то изучать физические процессы в таких проводниках мы будем преимущественно на их примере.

Раз выделили одну группу проводников, то должны быть и другие. А точнее, одна: проводники второго рода. Так назвали проводники, протекание тока в которых сопровождается химическими процессами, о них поговорим чуть позже. Иногда для простоты проводники первого рода называют просто проводниками, а проводники второго рода — электролитами.

Итак, в проводниках первого рода часть электронов покидает атом или молекулу и свободно перемещается в веществе. Это движение хаотичное, для отдельного электрона все направления движения равновероятны (рис. 1).

Это значит, что отдельные заряды движутся в разные стороны, взаимодействуют с атомами или потерявшими электрон ионами, меняют направление, но в среднем перемещения заряда нет. Это похоже на поведение молекул воздуха в отсутствие ветра: на микроуровне есть тепловое движение, но на макроуровне потока воздуха мы не наблюдаем.

Что происходит с электронами, когда появляется внешнее электрическое поле? Поле действует на каждый электрон с силой, и для каждого электрона сила направлена вдоль линий поля (рис. 2).

Появляется составляющая скорости, которая направлена для всех электронов в одну сторону: возникает направленное движение заряда. Скорость этого движения можем считать постоянной — об этом подробнее в ответвлении.

Модель движения электронов в проводнике

Поскольку тепловое движение электронов является хаотическим, то суммарное перемещение электронов будет близко к нулю (движение во все стороны равновероятно). Поэтому мы можем рассматривать только направленное движение электронов, вызванное электрическим полем.

На заряд, помещённый в электрическое поле, действует силаНо заряд связан с массой носителя заряда. Сила, действующая на электрон, сообщает ему ускорениеА ускоренное движение — это движение с возрастающей скоростью. Выходит, что мы не можем говорить о постоянной скорости направленного движения электронов. В чём здесь дело?

Представьте, что вам нужно бежать по лесу между деревьями. Как бы вам ни хотелось разогнаться, придётся всё время тормозить, чтобы не врезаться в дерево. В похожей ситуации находится и электрон. Он движется не в свободном пространстве, а внутри твёрдого вещества, атомы которого плотно упакованы. Поэтому он постоянно взаимодействует с атомами и каждый раз при этом теряет скорость, приобретённую за время свободного движения. При рассмотрении на большом (по сравнению с длиной свободного пробега) промежутке такое движение близко к равномерному. Поэтому модель, в которой электроны движутся внутри проводника направленно с постоянной скоростью, достаточно точна для решения большинства практических задач.

Какова скорость направленного движения электронов? Сила тока, по определению, равна, это значит, что за времячерез сечение проводника пройдёт заряд

— это N электронов, каждый из которых обладает зарядом:

Через поперечное сечение проводника успеют пройти все электроны, которые находятся внутри цилиндра (рис. 3) с объёмом

Рассмотрим это как движение электронного газа, состоящего из этих N электронов, прошедших через площадь сечения S. Это удобная модель, мы можем ввести концентрацию электронов — количество электронов на единицу объёма:Так как электроны распределены в веществе приблизительно равномерно, можно считать, что средняя концентрация электронов везде в проводнике одинакова.

Выразим количество электронов через концентрацию:

Подставим полученное выражение в формулу расчёта силы тока. Обратите внимание,— это путь, который по проводнику проходит электронный газ за время, то есть— это и есть средняя скорость направленного движения электронов, значит:

Мы получили связь силы тока со средней скоростью движения электронов.

Нужно понимать, что хаотичное движение никуда не исчезло: электроны продвигаются вдоль проводника, одновременно с этим двигаясь хаотично. Когда шарики в детской игре падают сверху и сталкиваются с перекладинами, то после каждого столкновения они меняют направление движения, но всё равно продолжают движение вниз.

Когда электрон был в одной точке, затем, пройдя по сложной траектории, оказался в другой, неважно, какой была эта траектория. Перенос заряда такой же, как и в случае его перемещения из одной точки в другую по прямой — в данном случае мы так и считаем.

Оценим, какие значения принимает скорость направленного движения электронов. Заряд электрона известен, возьмём его по модулю, так как мы сейчас не рассматриваем направление тока. Концентрация электронов в меди может достигать околоМожно считать, что на каждый атом меди приходится по одному свободному электрону, и вычислить концентрацию атомов меди, применив инструменты МКТ, — рекомендуем потренироваться самостоятельно.

Возьмём проводник с сечением 1 мм2 и током силой 10 А — примерно такой ток потребляет электрочайник. Выразим скорость электронов:

И подставим значения:

Получили скорость чуть более 0,6 мм/с, или 3,75 см/мин. Как видим, направленная составляющая скорости электронов не так уж велика. Не стоит путать скорость движения электронов со скоростью распространения тока. Ток при подключении источника начинает течь по всему проводнику, как только туда распространилось электрическое поле. А распространяется оно со скоростью света, то есть в нашем восприятии почти мгновенно.

Сопротивление проводников

При одном и том же приложенном напряжении через разные проводники течёт ток разной силы. Мы это описали с помощью закона Ома для участка цепи:

И разные проводники сравнивали по их сопротивлениям

Почему вообще возникает сопротивление протеканию тока со стороны проводника? Теперь мы можем ответить, что мешает носителям заряда двигаться и от каких параметров зависит сопротивление. Мы уже начинали рассматривать этот вопрос в младших классах — можете вспомнить урок по ссылке (Закон Ома).

На атомном уровне проводник, если это металл, можно рассматривать как некую структуру из ионов (назовем её ионной решёткой) и свободные электроны. Электроны движутся хаотично. При появлении внешнего электрического поля возникает сила, которая добавляет к хаотичному движению направленное движение в одну сторону (рис. 4).

Вспомните наш пример с падающими шариками. Если бы можно было отключить гравитацию, то они бы хаотично сталкивались друг с другом и с перекладинами. Гравитационное поле приводит к появлению направленного дрейфа шариков вниз.

Скорость движения электронов (а значит, и сила тока) зависит от того, насколько быстро и беспрепятственно будет двигаться электрон через ионную решётку. Это движение можно ещё представить себе как движение потока воды через трубу с решётками. Движение воды соответствует протеканию тока, а труба — аналог проводника, в ней решётка мешает течению воды, как ионы мешают движению электронов.

Понятно, что поток воды зависит от геометрических параметров трубы: воду легче прокачать через широкую и короткую трубу, чем через узкую и длинную. И естественно, чем гуще сеть решёток, тем больше помех потоку. Перенеся аналогию на электрический ток, запишем: сопротивление проводника больше, если меньше площадь сечения проводника и больше длина,

Свойства ионной решётки, определяемые веществом, учли в коэффициенте, который назвали удельным сопротивлением. Измеряется удельное сопротивление в, илиОбычно провода тонкие, их площадь сечения составляет явно не квадратные метры, чаще всего это квадратные миллиметры, и в справочниках часто можно встретить значенияв

Обратите внимание, что длина и площадь сечения — это геометрические параметры, не зависящие от вещества, из которого сделан проводник. А удельное сопротивление — это характеристика самого вещества.

От чего зависит удельное сопротивление? Понятно, что в разных металлах содержится разное количество носителей заряда — свободных электронов. Чем их больше, тем больше сила тока (мы только что вывели, что сила тока пропорциональна концентрации носителей заряда). Чем больше радиус атома, тем легче оторвать от него электрон. Можно предположить, что лучше всего проводить электрический ток должны наиболее тяжёлые металлы (с самыми большими атомами). Но это не всегда так.

Как мы уже говорили, электронам мешают двигаться силы взаимодействия с ионами кристаллической решётки. Чем плотнее решётка (чем плотнее атомы в веществе), тем больше будет взаимодействий, тем тяжелее будет двигаться электронам, значит, тем больше будет сопротивление.

Зависимость сопротивления от длины проводника и площади его сечения могла оказаться не линейной, а, например, такой:илиСо строгим выводом формулы сопротивления проводника вы можете ознакомиться в ответвлении. Оно обязательно к ознакомлению для профильного уровня, для всех остальных — по желанию.

Вывод закона Ома для участка цепи

Рассмотрим модель: к металлическому проводнику приложено электрическое поле, которое мы характеризовали напряжением, и свободные электроны движутся под действием этого поля (рис. 6).

Каждый электрон (по второму закону Ньютона) движется с ускорением:

Выразим силу через силовую характеристику электрического поля — напряжённость:

Если считать электрическое поле однородным, можно выразить напряжённость поля через напряжение и расстояние между концами проводника (его длину):

Электрон движется с ускорением в промежутках между столкновениями с ионами. Считаем, что при столкновении скорость уменьшается до нуля и электрон разгоняется снова. Вспомним из уроков о равноускоренном движении: на каждом таком отрезке временимежду столкновениями скорость электрона увеличивается от нуля до, и средняя скорость при равноускоренном движении равна:

Подставим ускорение:

Мы ранее уже связали силу тока со средней скоростью направленного движения электронов:.

Подставляем сюда выражение для скорости:

Получили математическое выражение закона Ома: сила тока на участке цепи прямо пропорциональна напряжению. Коэффициент пропорциональности мы обозначили как, и здесь он оказался равен этому коэффициенту, значит:

Как видим, сопротивление прямо пропорционально длине проводника и обратно пропорционально площади поперечного сечения. Коэффициент пропорциональности содержит константы (массу и заряд электрона), а также характеристики вещества: концентрацию свободных электронов и среднее время свободного пробега электрона в данном веществе. Обозначим этот коэффициенти будем считать его характеристикой вещества:

Полученная нами формула подтверждает наши качественные рассуждения: концентрация свободных электронов стоит в знаменателе — чем она больше, тем меньше сопротивление. В знаменателе стоит и время свободного пробега электрона в веществе, то есть время, которое будет двигаться электрон, пока не столкнётся с ионом. Понятно, что чем плотнее упаковка атомов вещества, тем меньше будет это время, а значит, тем больше будет сопротивление.

Мы рассмотрели простую модель, в которой удельное сопротивление не зависит от внешних факторов: если это медь, то её удельное сопротивление в любых условиях равно

А если вещество сжать или согнуть, что-то изменится? Или нагреть? Или поместить в магнитное поле? Поступаем как обычно: возникла задача — уточняем модель, учитываем в ней новые процессы с необходимой точностью и находим закономерности.

Рассмотрим влияние температуры — это то, с чем мы часто сталкиваемся: проводники при протекании тока греются. Температура — это характеристика энергии движения атомов или молекул вещества. То есть увеличение температуры — это наблюдаемое нами свидетельство того, что атомы начали быстрее и с большей амплитудой колебаться. Мы рассматриваем твёрдое вещество, где атомы колеблются вблизи фиксированного положения.

Логично, что при большей амплитуде колебаний возникает больше препятствий для движения электрона. Пробраться сквозь толпу людей легче, если они стоят спокойно, чем если они танцуют. В такой модели с увеличением температуры проводника сопротивление тоже увеличивается. Экспериментальным путём обнаружили, что для решения многих задач подходит модель линейной зависимости, которая описывается уравнением:

Выразимчерез удельное сопротивление, сократим длину и площадь (температурным расширением пренебрегаем) и получим:Здесь— это удельное сопротивление при температуре, которую выбрали как начальную (обычно это 20 ℃);— это изменение температуры относительно начальной,; а — это температурный коэффициент сопротивления, который для разных веществ можно найти в справочнике (рис. 7). Он показывает, на сколько ом изменяется сопротивление с каждым градусом изменения температуры.

Эта модель, как и любая другая, имеет свои границы применимости. При повышении температуры проводник рано или поздно расплавится или сгорит в кислороде воздуха. Уменьшать температуру до бесконечности тоже нельзя. Мы знаем, что есть предел — абсолютный ноль по шкале Кельвина, которого достичь на практике невозможно (если выявленные нами законы термодинамики верны). Но уже при достижении некоторой температуры (чаще всего несколько градусов Кельвина) сопротивление проводника резко уменьшается до нуля. Это явление назвали сверхпроводимостью.

Температуру, при которой вещество переходит в сверхпроводящее состояние, назвали критической. Она отличается для разных веществ, а некоторые металлы, такие как медь, золото, серебро, вообще не переходят в сверхпроводящее состояние. Подобраны сплавы, которые, наоборот, становятся сверхпроводниками при достаточно высоких температурах, их достаточно охладить жидким азотом (температура его кипения около 77 К).

В сверхпроводниках даже при слабом электрическом поле возникает сильный ток (сопротивление ведь практически нулевое), который течёт без тепловых потерь. Этому нашли применение, например для получения мощных магнитных полей, для создания чувствительных детекторов магнитного поля, детекторов фотонов. Есть проекты использования сверхпроводников для передачи электроэнергии, но существует проблема поддержания низких температур — нужно постоянно прокачивать через систему хотя бы жидкий азот.

Мы рассмотрели, как и почему сопротивление проводников увеличивается с повышением температуры. Но есть класс веществ, у которых с повышением температуры сопротивление уменьшается. Эти вещества назвали полупроводниками. К ним относятся некоторые элементы 4-й группы таблицы Менделеева (кремний, германий), соединения элементов 3-й и 5-й групп (арсенид галлия, фосфид индия), некоторые другие вещества. О том, как протекает ток в полупроводниках и почему у них такая температурная зависимость, вы узнаете в ответвлении.

Сопротивление полупроводников

В полупроводниках, в отличие от проводников, нет большого количества свободных электронов, электроны покидают атомы значительно реже. Как это влияет на протекание электрического тока?

Рассмотрим кристалл кремния. Это элемент с четырьмя электронами на внешней электронной оболочке, и каждый атом образует ковалентную связь с четырьмя соседними атомами, разделяя с ними по одной электронной паре (рис. 9).

Если бы не было теплового движения атомов, все электроны были бы связаны, и такой кристалл не проводил бы ток. Но из-за теплового движения некоторые связи между атомами разрываются, электрон покидает атом и становится свободным носителем заряда.

Атом, который потерял электрон, становится заряженным положительно. В металлах мы на это не обращали внимания, так как там практически каждый атом теряет электрон, и электроны свободно движутся между ними. Здесь же электрон, который оказывается рядом с ионом, с большой вероятностью притягивается этим ионом и занимает свободное место в разрушенной связи между атомами. Такое место в полупроводнике назвали дыркой (рис. 10).

В полупроводнике часто бывает ситуация, когда при возникновении пары «электрон — дырка» свободный электрон не успевает далеко переместиться и занимает вакантное место рядом. А ту первую дырку занимает электрон, тоже высвободившийся где-то неподалёку. В итоге получается, что множество электронов совершили небольшие перемещения, но проще описать это как перемещение дырки. Мы понимаем, что сам заряженный атом кремния никуда не перемещался, но это удобная модель. Это как в очереди: каждый человек сделал по одному шагу, а выглядит это так, как будто переместилось свободное место. Таким образом, считаем, что свободными носителями заряда в полупроводниках являются электроны и дырки.

Теперь понятно, почему при увеличении температуры уменьшается сопротивление полупроводников. В них резко увеличивается количество разрывов связей между атомами, а значит — количество свободных носителей заряда. И так как свободных носителей до повышения температуры было немного (в отличие от проводников), то увеличение их количества заметно способствует протеканию тока, то есть значительно уменьшает сопротивление. По сравнению с этим уменьшением увеличение сопротивления из-за увеличения амплитуды и скорости колебаний узлов кристаллической решётки пренебрежимо мало.

Электрический ток в электролитах

Рассмотрим, как протекает электрический ток в проводниках второго рода, где свободными носителями заряда являются ионы. Из уроков химии вы знаете, что растворение некоторых веществ в воде сопровождается электролитической диссоциацией — распадом вещества на ионы. Как это происходит, рассмотрим на примере поваренной соли NaCl.

Свойства атомов натрия и хлора таковы, что в кристаллической решётке от каждого атома натрия один электрон переходит к атому хлора. Атомы приобретают заряды (натрий — положительный, хлор — отрицательный), то есть представляют собой ионы Na+ и Cl–, которые являются узлами кристаллической решётки и притягиваются друг к другу (рис. 11а).

Молекулы воды представляют собой электрические диполи, в них заряды смещены друг относительно друга и одна сторона молекулы заряжена положительно, а вторая — отрицательно. При контакте с кристаллом соли эти диполи притягиваются своими положительными концами к ионам Cl–, а отрицательными — к Na+. В какой-то момент ионы уже притягиваются к молекулам воды сильнее, чем друг к другу, и ион выходит из кристаллической решётки в раствор (рис. 11б).

Распадаются на ионы не только соли, но и некоторые другие вещества, например растворимые кислоты и основания. Все эти вещества назвали электролитами. Кроме растворения, разрушением кристаллической решётки и распадом на ионы сопровождается плавление электролитов.

Растворы и расплавы электролитов объединяет то, что в них содержатся свободные ионы. Они свободны условно: каждый ион в растворе окружён несколькими молекулами воды, с которыми он взаимодействует. Но тем не менее при наличии внешнего электрического поля ионы движутся под действием этого поля, а движение заряженных частиц — это электрический ток.

Особенность тока в электролитах в том, что он сопровождается переносом вещества, ведь носителями заряда выступают ионы. Ион движется к электроду; если рассматривать ток — перемещается заряд. При достижении электрода, естественно, дальше по проводам ион не движется, он передаёт заряд электроду, и заряд движется дальше. Обратите внимание: ион переместился, разрядился на электроде и стал, например, атомом металла — получили на электроде напыление этого металла. Так, например, можно делать оцинкованные изделия. Если это был ион натрия, то образовавшийся атом натрия реагировал бы с водой. Если это был Cl–, в атомарном состоянии хлор долго существовать не смог бы, атомы бы соединились в молекулы Cl2 и выделились в виде пузырьков газа.

Процесс выделения на электродах веществ, входящих в состав электролита, при протекании через раствор электрического тока назвали электролизом. Следующее ответвление, в котором мы разберём количественные характеристики электролиза, обязательно к ознакомлению для учеников профильного уровня, для всех остальных — по желанию.

Электролиз

При протекании тока в электролитах перенос заряда сопровождается переносом массы, так как перемещаются ионы, каждый из которых обладает строго определёнными зарядом и массой. Это значит, что на каждый перенесённый кулон заряда приходится определённая для данного иона масса. Например, если это ион Cu2+, то с каждым таким ионом переместится заряд, равный +2q0, и масса, равная массе атома меди; а если ион Cl–, то перемещается заряд –q0 и масса атома хлора (рис. 12).

Таким образом, понятно, что масса выделившегося на электроде веществаропорциональна перенесённому заряду:

Эта закономерность известна как закон Фарадея, где— электрохимический эквивалент вещества. Не всегда удобно измерять перенесённый при протекании тока заряд, удобнее выразить его через силу тока и время протекания тока:

Если между электродами переместился один ион массой, то он перенёс свой заряд. Заряд и массу одного иона можно найти, поэтому удобно выразить электрохимический эквивалент через эти величины:,

Заряд иона кратен элементарному заряду:, где— валентность химического элемента.

А массу одного иона удобно выразить через его молярную массу. Молярная масса — это масса одного моля, то естьионов. Тогда масса одного иона равна:

Получили, что электрохимический эквивалент равен:

Удобно, что теперь нам не нужно искать таблицу электрохимических эквивалентов разных ионов, достаточно таблицы Менделеева, чтобы найти. Чтобы каждый раз не перемножать две константыи, это сделали один раз и назвали это произведение постоянной Фарадея:

Тогда закон Фарадея можно переписать в виде:

Электрический ток в газах

Мы рассмотрели протекание электрического тока в твёрдых телах разных типов и в определённом типе жидкостей — электролитах. А может ли электрический ток протекать в газах? Может, и свидетельство этому — молния. Разберёмся, как и за счёт чего это происходит.

В обычных условиях газы являются диэлектриками: молекулы электронейтральны, свободных носителей заряда нет, и ток под действием внешнего электрического поля не течёт. Но свободные носители заряда в газах могут возникнуть при некоторых условиях вследствие ионизации, когда молекула или атом газа теряет электрон и становится положительным ионом. И ион, и электрон уже являются свободными носителями заряда, и такой газ проводит ток. Ионизированный газ называют плазмой и иногда даже выделяют как отдельное агрегатное состояние вещества.

Электрический ток в газах часто называют разрядом, так как изначально люди не понимали, что газ может проводить ток, и казалось, что заряженные тела разряжаются сами по себе — на самом деле разряд происходил через газ. Процесс, обратный ионизации, когда положительный ион и электрон соединяются в нейтральную молекулу, назвали рекомбинацией.

Итак, что может привести к ионизации? Вариантов много, но сводятся они к одному: сообщению молекуле газа энергии, достаточной для разрушения связи молекулы с электроном. Например, ионизация может произойти при столкновении молекулы с другой частицей — молекулой, электроном, ионом и т. д. Может — при облучении, например рентгеновским излучением или радиоактивным излучением. Электрон может оторваться от молекулы под действием сильного электрического поля.

Когда возникает одна пара «электрон + ион», независимо от того, как она возникла, эти носители заряда во внешнем электрическом поле начинают двигаться. Они могут достичь электродов, и процесс прекратится. Но если поле достаточно сильное и частицы в этом поле набирают достаточно большую скорость, то они могут вызвать ионизацию следующей молекулы при столкновении с ней. Этот процесс назвали ударной ионизацией. В результате возникнет ещё одна пара «электрон + ион», и они будут тоже разгоняться и ионизировать следующие молекулы, такой процесс может лавинообразно нарастать или хотя бы поддерживаться (рис. 13).

Дополнительные свободные электроны могут также исходить от отрицательно заряженного электрода (катода), например когда с ним сталкивается положительный ион. Выделяют разные виды разрядов: искровой, тлеющий, коронный — мы не будем вдаваться в их особенности. Разряд может протекать по-разному — в зависимости от напряжённости электрического поля, давления газа и т. д., и, понимая физику процессов, которые там протекают, вы при необходимости сможете в них разобраться.

Примеры разрядов (молния, лампа, огни святого Эльма)

Разряд молнии относят к искровым разрядам: они возникают при давлении, близком к атмосферному, и сопровождаются лавинообразной ударной ионизацией. Рассмотрим подробнее. Во время грозы в атмосфере возникает сильное электрическое поле, это происходит из-за электризации при движении воздушных масс, подробно останавливаться на этом не будем. И когда поле уже возникло, что происходит с молекулами воздуха?

Если в воздухе оказывается свободный носитель заряда, например электрон, он разгоняется в электрическом поле до столкновения с молекулой воздуха. Её он тоже при достаточной энергии может ионизировать — мы уже рассмотрели этот процесс и назвали его ударной ионизацией.

Так вот, при атмосферном давлении концентрация молекул воздуха достаточно большая, и нужно, чтобы до столкновения с молекулой скорость электрона была достаточно высокой для ионизации, а значит, поле должно быть достаточно сильным. Как раз такое поле возникает в атмосфере.

Когда процесс ударной ионизации запускается, он может распространяться в разных направлениях, в каких-то направлениях может затухнуть, но в итоге он может достичь земли (или другой воздушной массы, если поле возникает между двумя заряженными воздушными массами). Тогда образуется непрерывный проводящий канал (рис. 14) (так как там, на пути лавины ударной ионизации, воздух ионизирован), и по этому каналу очень быстро проходит большой заряд — это и есть удар молнии. Большая энергия выделяется в виде нагревания, свечения, механической волны (как при взрыве).

Что будет происходить, если электрическое поле будет сильно неоднородным, например, возле острия заряженных тел? Из урока электростатики вы помните, что вблизи сильных выпуклостей напряжённость поля высока, и в таких условиях тоже будет возникать ударная ионизация. Только по мере отдаления от острия поле ослабевает, ионизация затухает, а заряд рассеивается — такого пробоя, как при молнии, не возникает. Разряд такого типа назвали коронным (рис. 15): он вызывает свечение воздуха вблизи острых выпуклостей, напоминающее корону. Его можно иногда увидеть на элементах высоковольтных линий электропередачи, на мачтах кораблей перед грозой (такое свечение моряки назвали огнями святого Эльма — покровителя моряков в католицизме).

Теперь создадим электрическое поле в колбе и откачаем часть газа. При уменьшении концентрации молекул газа движущийся в электрическом поле электрон реже сталкивается с молекулами. У электрона появляется больше времени на разгон до скорости, нужной для ионизации, поэтому ионизация в таких системах возможна при небольшой напряжённости электрического поля. При определённом соотношении давления, напряжённости электрического поля и силы тока возникает стабильный светящийся разряд с невысокой температурой газа, который назвали тлеющим (рис. 16).

Цвет свечения определяется газом: это может быть неон в неоновых лампах, пар ртути в люминесцентных лампах и т. д.

Подробнее рассмотрим случай, когда отрицательный электрод может быть источником свободных электронов. Мы говорили, что положительный ион может выбить электрон при столкновении. Электрон также может покинуть катод при нагревании. Происходит процесс, похожий на испарение: при высокой температуре энергия движения электронов может оказаться достаточной для того, чтобы электрон преодолел притяжение и покинул электрод.

В этом случае для протекания тока не нужна даже ионизация газа: электрон покинул катод — и вот это уже свободный носитель заряда, готовый двигаться под действием внешнего поля. Можно поместить электроды в колбу, откачать из неё газ, и поток электронов будет представлять собой электрический ток (рис. 17).

Конечно, откачать весь газ из колбы невозможно, но при определённой концентрации его будет так мало, что электрон успеет пройти расстояние между электродами, не столкнувшись ни с одной с молекулой газа. Такую систему уже можно условно считать вакуумом. В этом смысле можно считать, что электрический ток возможен в вакууме.

На этом наш урок закончен. Спасибо за внимание!

Список литературы

1. Мякишев, Г. Я. Физика. 10 класс / Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев, Н. Н. Сотский.  — М.: Просвещение, 2008.

2. Касьянов, В. А. Физика. 10 класс / В. А. Касьянов. — М.: Дрофа, 2000.

3. Балашов, М. М. Физика: Механика. 10 класс / М. М. Балашов, А. И. Гомонова, А. Б. Долицкий [и др.]. — М.: Дрофа, 2004.

4. Тихомирова, С. А. Физика. 10 класс. Базовый и профильный уровни / С. А. Тихомирова, Б. М. Яворский. — М.: Мнемозина, 2012.

5. Генденштейн, Л. Э. Физика. 10 класс / Л. Э. Генденштейн, Ю. И. Дик. — М.: Мнемозина, 2014.

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Интернет-портал Класс!ная физика (Источник).

2. Интернет-портал Класс!ная физика (Источник).

3. Интернет-портал Класс!ная физика (Источник).

4. Интернет-портал Класс!ная физика (Источник).

5. Интернет-портал Класс!ная физика (Источник).

6. Интернет-портал YouTube (Источник).

7. Интернет-портал YouTube (Источник).

8. Интернет-портал YouTube (Источник).

Домашнее задание

1. Почему при увеличении температуры сопротивление проводников увеличивается, а сопротивление полупроводников уменьшается?

2. Опишите механизм ударной ионизации в газах.

3. Какова разность масс вещества (в граммах), выделившегося за сутки на катодах в двух электролитических ваннах, содержащих растворы CuSO4 и AgNO3. Аноды в ваннах — медный и серебряный соответственно. Сила тока I, пропускаемого через электролиты, равна 5 А.

4. В кристалл кремния, содержащий примесь галлия, внедрили с одной стороны фосфор. Какова полярность источника тока, при котором через образовавшийся p-n-переход будет протекать минимальный ток?

5. Как изменится сопротивление алюминиевого проводника при снижении его температуры от t0 = 20 ℃ до t = –45 ℃? Температурный коэффициент сопротивления Al α = 4,2 · 10-3 К-1.

Список использованных источников:

Рис. 1–17. Моушн-дизайнер Лопатин М. С.

Рис. 18. Иллюстратор Андреева А. С.