29. Электрический ток в различных средах (основной урок)

Электрический ток в металлах

Мы изучаем электрический ток. Электрический ток – это направленное движение заряда, что эквивалентно движению носителей заряда. Движение заряда вызывается силой, с которой на него действует электрическое поле. Сила вызывает перемещение, значит, выполняется работа. Эти процессы мы рассматривали подробно. Ток – это движение, а движение должно происходить где-то, поэтому ток нельзя рассматривать без проводника, без среды, по которой он течет.

Разные среды проводят ток по-разному: какие-то легко, как металлы, какие-то трудно, как воздух. И это хорошо, иначе нас било бы током не при прикосновении к оголенному проводу, а при одном приближении к розетке. Все знают об усиленных мерах техники безопасности при обращении с электричеством в условиях повышенной влажности, начиная с элементарного правила: не пользоваться выключателем с мокрыми руками. Вода тоже может проводить ток? В некоторых случаях да. И даже через воздух ток тоже может протекать: все видели молнию – это кратковременный электрический ток. Как это происходит?

В этих явлениях мы и разберемся на ближайших уроках.

Вспомним еще раз условия существования электрического тока: наличие свободных носителей заряда, электрическое поле, создающее силу, заставляющую их двигаться, и замкнутая цепь. Электрическое поле создается источником ЭДС, замкнутая цепь – это технический вопрос конфигурации подключения. Принципиально же различные среды, прохождение тока через которые мы будем изучать, отличаются наличием и типом свободных носителей заряда. Это свойство самой среды, оно и является определяющим.

Начнем с электрического тока в металлах.

Свободными носителями заряда в металлах являются свободные электроны, которые покинули атом. Атом представляет собой положительно заряженное ядро, состоящее из протонов и нейтронов, и вращающихся вокруг него электронов. Электронов может быть много, и все они не могут находиться на одной орбите: между одноименными зарядами действуют силы отталкивания. Поэтому электроны распределены по разным орбитам. Атом металла так устроен, что один или несколько электронов с внешних орбит притягиваются к ядру достаточно слабо, чтобы свободно покидать атом.

Мы можем рассматривать электрический ток с позиции его действия, результата, к которому он приводит: на разных концах проводника изменяется электрический заряд, при прохождении заряда выполняется работа, происходит нагревание проводника. Закономерности протекания этих процессов мы изучили: закон Ома, закон Джоуля – Ленца. И при решении ряда задач нам достаточно такого рассмотрения.

А можем рассматривать сам процесс прохождения заряда, интересуясь, сколько переместилось электронов, с какой скоростью они двигались. В некоторых задачах это важно.

Задача

По алюминиевому проводнику с площадью поперечного сечения  течет ток . Чему равна средняя скорость упорядоченного движения электронов в нем? Считайте, что на каждый атом алюминия приходится по одному свободному электрону.

Анализ условия

- электрический ток можно представить в виде движения некого электронного газа, и за некоторое время через поперечное сечение пройдет некий объем этого газа .

- по определению сила тока равна . Заряд  – это суммарный заряд электронов, находившихся в объеме , а он однозначно связан с количеством электронов. Поэтому, чтобы связать перемещение заряда и перемещение электронного газа, нам потребуется вычислить концентрацию последнего.

- по условию, на один атом алюминия приходится по одному свободному электрону, значит, концентрация электронного газа равна концентрации атомов алюминия в веществе.

Решение

Найдем концентрацию атомов алюминия. Такие задачи мы решали в курсе МКТ, и это не представляется сложным. По определению, концентрация равна .

От количества атомов лучше перейти к их массе (масса, деленная на объем, – это плотность, известная для конкретного вещества величина, для алюминия ). Если у нас есть  алюминия, состоящего из  атомов, каждый массы , то количество атомов равно массе вещества, деленной на массу одного атома: .

Массу одного атома мы тоже неоднократно вычисляли. Масса одного моля вещества – это молярная масса, которую находим по таблице Менделеева. Для алюминия . В одном моле алюминия содержится  атомов. Тогда масса одного атома равна: .

Итак, подставим массу одного атома в выражение для количества атомов : . И подставим это в выражение для концентрации: .

Концентрация свободных электронов равна концентрации атомов алюминия: .

Теперь вернемся к рассмотрению процесса протекания электрического тока. Сила тока по определению равна .

Заряд  переносится  электронами, заряд каждого из которых : .

 электронов содержится в некотором объеме электронного газа, прошедшего через поперечное сечение проводника, обозначим его . Концентрация электронов известна, поэтому запишем: .

Объем выразим через длину участка и площадь поперечного сечения проводника: .

 – это перемещение каждого электрона в перемещенном объеме электронного газа, поэтому  – это средняя скорость направленного движения электронов: .

Эта формула часто используется, поэтому ее можно запомнить и применять в готовом виде, но можно и вывести, как мы это сделали сейчас. Если нас интересует не только то, какой заряд прошел через проводник, а и через какую площадь, как плотно шел ток, удобно ввести величину плотности тока, обозначается она  – отношение силы тока к площади поперечного сечения проводника. Тогда формула запишется как .

Все величины известны, остается только выразить скорость электронов: .

Подставим численные значения, не забыв перевести в СИ. В данной задаче нас не интересует направление движения и направление силы тока, поэтому заряд электрона возьмем по модулю.

Как видим, скорость направленного движения электронов достаточно мала, и большие значения перенесенного заряда достигаются за счет большого количества электронов.

Cопротивления проводников от температуры

Только начиная изучать электрический ток, мы рассматривали, почему проводник сопротивляется электрическому току. Мы сравнивали электрический ток в проводнике с течением воды по трубе. Проводник не является пустым, как труба, он состоит из атомов, которые определенным образом упорядочены. Это можно сравнить с тем, как если бы труба, по которой течет вода, была перекрыта множеством сеток или решеток.

Это усложняло бы протекание воды. Каждое вещество имеет свою структуру, размер атомов, расстояние между ними, эти характеристики учитывает удельное сопротивление . Но есть еще один фактор, влияющий на сопротивление проводника: тепловое движение атомов.

На рисунке изображена структура вещества проводника. Проводник имеет некоторую температуру, и его атомы пребывают в хаотичном тепловом движении. В твердом теле это движение представляет собой колебание атома вблизи положения равновесия. Посмотрим, что произойдет при повышении температуры.

Температура связана с механической энергией движения атомов, поэтому колебания атомов станут более интенсивными. Понятно, что через такую решетку электрону пройти сложнее. Это можно сравнить с ходьбой в людном месте. Сложно ходить по комнате, в которой много людей, но еще сложнее, если эти люди начнут танцевать.

Таким образом, при повышении температуры сопротивление проводника увеличивается. Экспериментально обнаружено, что эта зависимость близка к линейной: , где  – это сопротивление при некоторой определенной температуре,  – это разность температуры, при которой вычисляется сопротивление , и температуры, при которой взято значение ,  – это температурный коэффициент сопротивления, его значение для разных проводников можно посмотреть в таблице.

Значение  чаще всего мало, поэтому при небольших изменениях температуры сопротивление можно считать постоянным, но при значительном нагревании прибора температурное изменение сопротивления значительно влияет на работу прибора.

Чаще всего  берется при температуре , тогда  – это значение температуры в градусах Цельсия .

То же выражение справедливо для удельного сопротивления проводника: .

Задача

Определите рабочую температуру вольфрамовой нити лампы накаливания, если при температуре  ее сопротивление равняется . На цоколе лампы написано , . Температурный коэффициент сопротивления для вольфрама равняется .

Анализ условия

- при работе лампы накаливания нить имеет высокую температуру, поэтому ее сопротивление будет отличаться от значения при , будем применять формулу температурной зависимости сопротивления: .

- на цоколе написаны рабочие характеристики лампы. При фиксированном значении напряжения мощность записывается так: , здесь  – рабочее сопротивление нити.

Решение

Применим записанные выше формулы.

Получили систему из двух уравнений, все необходимые для решения значения заданы, осталось только выразить и вычислить искомую температуру .

Обратим внимание, что при температурах, близких к абсолютному нулю, наблюдаются новые эффекты, которые рассматриваются в курсе квантовой физики, до сих пор до конца не изученные, которые приводят к резкому падению сопротивления проводника до нуля. Это явление получило название сверхпроводимость.

Подведем промежуточные итоги. Для решения задач, рассматривающих ток в металлах, нужно следующее.

Знать

1) Определение силы тока как скорости переноса заряда.

2) Механизм протекания тока в металлах.

3) Зависимость сопротивления металлов от температуры.

Уметь

1) Применять определение силы тока.

2) Связывать перемещение электронного газа с перемещением заряда.

Понимать

Свободные электроны в металле пребывают в хаотическом тепловом движении, а также движутся направленно под действием электрического поля. Эти движения складываются. Ток создает направленное движение, поэтому тепловое движение нас с точки зрения протекания тока не интересует.

Сопротивление металлов возрастает с повышением температуры, потому что усиливаются колебания атомов вещества, что мешает прохождению электрона.

Электрический ток в растворах и расплавах электролитов

Следующая среда, прохождение электрического тока через которую мы рассмотрим, – это расплавы и растворы электролитов. Существует класс веществ, молекулы которых состоят из двух или более частей, таких, что одна часть притягивает один или несколько электронов другой части и приобретает отрицательный заряд, вторая часть при этом заряжается положительно. Почему так происходит – этот вопрос подробно рассматривает химия, нам же важны последствия этого явления.

Такие вещества называются электролитами. Электролитами являются все растворимые соли, кислоты и основания. Из курса химии вы наверняка знаете, что молекула кислоты состоит из кислотного остатка и одного или нескольких атомов водорода. Кислотный остаток является той частью, которая притягивает электроны, атом водорода – частью, которая отдает электрон (он в атоме водорода всего один), например, , .

Молекула основания состоит из атома металла и одной или нескольких гидроксогрупп, состоящих из одного атома кислорода и одного атома водорода . В такой молекуле атом металла отдает электроны, гидроксогруппа принимает один электрон. Например, , .

Молекула соли состоит из атома металла и кислотного остатка. Свойства принимать или отдавать электроны при этом у атома металла и кислотного остатка сохраняются. Количество электронов, которое принимает или отдает та или иная группа, соответствует валентности группы.

Рассмотрим сказанное на примере поваренной соли . Атом хлора притягивает один электрон атома натрия и заряжается отрицательно, атом натрия заряжается положительно. В таком состоянии кристалл не проводит электрический ток, поскольку нет свободных носителей заряда: частицы зафиксированы в кристаллической решетке.

Что произойдет, если такое вещество поместить в воду? Молекула воды полярна, электроны в ней смещены в сторону атома кислорода, поэтому эта сторона имеет отрицательный заряд, а противоположная – положительный. Противоположные заряды притягиваются, поэтому понятно, что молекулы воды притянутся своей положительно заряженной стороной к атомам хлора, а отрицательно заряженной стороной – к атомам натрия. В некоторый момент сила, с которой молекулы будут притягивать атом, станет достаточной, чтобы атом покинул кристаллическую решетку.

Этот процесс называется электролитическая диссоциация, соль растворяется в воде. Что мы получаем в итоге? Мы получаем множество ионов натрия, заряженных положительно, и ионов хлора, заряженных отрицательно, свободно перемещающихся в воде. Ион – это электрически заряженная частица, представляющая собой атом или группу атомов. Т.е. мы получили свободные носители заряда, а это значит, что при наличии электрического поля раствор может проводить ток.

Чистая вода является диэлектриком, а проводящие свойства она приобретает в процессе электролитической диссоциации. А т.к. дистиллированная вода в природе встречается редко и в ней всегда растворено некоторое количество солей, то мы привыкли считать, что вода проводит электричество. Теперь мы знаем, что, чем более соленая вода, тем лучшим проводником она является.

Чтобы узнать, растворимо ли вещество, какие ионы образуются при электролитической диссоциации, какова величина их зарядов, удобно пользоваться таблицей растворимости веществ.

То же происходит в расплавах электролитов с тем различием, что ионы покидают кристаллическую решетку и становятся свободными носителями заряда не вследствие взаимодействия с водой, а вследствие разрушения кристаллической решетки при переходе в жидкое агрегатное состояние.

Электролиз. Закон Фарадея

Характерной чертой электрического тока в электролитах является то, что носителем заряда является атом вещества, т.е. вместе с зарядом перемещается вещество. Пронаблюдаем на примере раствора процесс переноса вещества при протекании электрического тока.

Раствор будет содержать ионы меди  и в два раза больше ионов хлора . Опустим в раствор электроды и подключим к источнику ЭДС. Между электродами создастся электрическое поле, благодаря которому положительно заряженные ионы  будут двигаться к отрицательно заряженному электроду (он называется катод), а отрицательно заряженные ионы  – к положительно заряженному электроду (он называется анод).

При достижении катода ион  получает два электрона, которых на катоде в избытке, и становится нейтральным: на катоде оседает чистая медь. Явление выделения вещества на электродах, при прохождении тока через раствор (или расплав) электролита называется электролизом.

То же самое происходит с ионами : они движутся к аноду и нейтрализуются, отдавая ему электрон. Хлор не может свободно существовать в одноатомном состоянии, его атомы объединяются в молекулы  и выделяются в виде пузырьков газа.

Есть известная шутка: чтобы узнать, посолен ли борщ, нужно опустить в него два электрода и пропустить электрический ток. Если вы почувствуете запах хлора, значит, борщ посолен. Природу данного явления вы теперь знаете. И, зная химическую формулу соли , можете добавить, что если на одном из электродов будет выделяться хлор, то на втором электроде будет оседать натрий.

Электролиз используется в промышленности. Во-первых, на электроде оседает чистое вещество, поэтому таким способом получения пользуются, когда нужно получить очищенный от примесей металл. Во-вторых, металл оседает равномерным слоем, который можно сделать очень тонким, поэтому электролиз – хорошая альтернатива напылению. Т.к. предмет, на который напыляют слой металла, выступает в роли электрода, он должен проводить электрический ток.

Как рассчитать массу вещества, осажденного на электроде? Понятно, что поскольку вещество является носителем заряда, то масса будет связана с силой тока: каждый ион определенной массы переносит определенный электрический заряд. Давайте решим такую задачу.

Задача

Через раствор  пропускали электрический ток на протяжении минут. Какая масса железа выделилась за это время на катоде?

Анализ условия

- соль  распадется на ионы  и . Нас интересует выделение железа, будем рассматривать его.

- ион железа является одновременно и переносчиком массы, и носителем заряда.

- масса осевшего железа равна массе одного иона (масса электрона ничтожно мала по сравнению с массой ядра атома, поэтому массу иона можно считать равной массе нейтрального атома), умноженного на количество перемещенных ионов.

- заряд, прошедший через электролит при протекании тока, равен заряду одного иона (заряд иона по модулю равен двум элементарным зарядам, железо в данном случае двухвалентное и каждый атом отдал два электрона), умноженному на то же количество ионов.

- будем связывать массу и заряд через количество перемещенных ионов.

Решение

Запишем вышесказанное математически. Масса железа равна массе одного иона на количество ионов: .

Заряд, перенесенный ионами, равен заряду одного иона на количество ионов: .

 – это одно и то же количество ионов: .

Отсюда выразим массу железа: .

Найдем теперь входящие в формулу величины. Находить массу одного иона (она равна массе атома), мы умеем из курса МКТ и уже находили сегодня. Масса одного моля вещества – это молярная масса, которую находим по таблице Менделеева. Для железа это . В одном моле железа содержится  атомов. Тогда масса одного атома равна: .

Сила тока, по определению, равна скорости перемещения заряда , откуда выразим прошедший через электролит заряд: .

Найдем заряд иона. Валентность показывает, сколько электронов потерял (или получил) ион, обозначается валентность чаще всего  или , в нашем случае . Тогда заряд одного иона равен по модулю: .

Подставим полученные выражения для ,  и  в полученное ранее выражение для массы: .

Часто величину  объединяют в коэффициент , который не зависит от параметров процесса электролиза (сила тока и длительность), а характеризует вещество, содержит его молярную массу и валентность. Этот коэффициент называется электрохимическим эквивалентом вещества, полученную формулу можно записать в виде: , где .

Это полученное нами соотношение – закон Фарадея, который был получен ученым экспериментально. Можно его запомнить и использовать в готовом виде, а можно вывести, как это мы сделали при решении задачи.

Итак, завершим решение задачи, вычислив ответ: .

Подведем промежуточные итоги. Для решения задач, рассматривающих ток в электролитах, нужно следующее.

Знать

1) Определение силы тока как скорости переноса заряда.

2) Механизм протекания тока в электролитах.

3) Закон Фарадея.

Уметь

1) Связывать перемещение массы с перемещением заряда.

2) Пользоваться таблицей растворимости веществ.

Понимать

В растворе электролита свободным носителем заряда являются ионы. Это приводит к тому, что перенос электрического заряда сопровождается переносом вещества.

Электрический ток в газах

Рассмотрим электрический ток в газах. Начнем с того же вопроса: что будет являться носителем заряда, за счет чего газ будет проводить электрический ток?

Газ в нормальном состоянии, например, воздух, состоит из электронейтральных молекул, и свободных носителей заряда в нем нет. И, действительно, мы видим, что контакты в розетке находятся на расстоянии нескольких сантиметров друг от друга, но ток между ними не течет. В то же время молния показывает, что электрический ток через воздух возможен. Электрический ток в газе называется газовый разряд. Что должно произойти, чтобы ток появился? Нужны свободные носители заряда. Откуда они могут взяться в газе?

В газе свободные носители заряда появляются вследствие ионизации, когда молекула или атом газа теряет электрон и становится положительным ионом. И ион, и электрон уже являются свободными носителями заряда и газ проводит ток.

Теперь остается вопрос, что может привести к ионизации. Чтобы произошла ионизация, нужно придать молекуле дополнительную энергию, необходимую для разрыва связи в молекуле. Проведем такой опыт: зарядим две пластины электрометра разноименными зарядами. Он будет оставаться заряженным долгое время, ток между пластинами не течет. Поместим между пластинами пламя свечи и увидим, что электрометр заметно быстро разрядится. Это значит, что под действием высокой температуры и в процессе реакции горения молекулы воздуха получат дополнительную энергию и произойдет их ионизация.

Дополнительную энергию молекуле может сообщить фотон, радиоактивное излучение, сильное электрическое поле.

После прекращения воздействия внешнего фактора ионизация тоже прекращается. Такой разряд является несамостоятельным, поскольку существует только при воздействии внешнего ионизирующего фактора.

После ионизации образовавшийся свободный электрон начинает двигаться с ускорением под действием электрического поля. В газах длина свободного пробега сравнительно большая, и при большой напряженности электрического поля они могут набрать скорость и приобрести энергию достаточную для того, чтобы при столкновении с другой молекулой ионизировать и ее. Этот процесс называется ударной ионизацией. Такой разряд может существовать и после прекращения воздействия внешнего ионизирующего фактора, свободные носители заряда образовываются в результате ударной ионизации. Такой разряд является самостоятельным. Примером самостоятельного разряда является молния.

Несамостоятельный разряд применяется как детектор ионизирующего излучения: поскольку разряд существует только под действием ионизирующего излучения, то наличие разряда свидетельствует о наличии излучения. На этом принципе построен, в частности, счетчик Гейгера: прибор для измерения радиации. Самостоятельный разряд используется, например, в освещении (ламы дневного света, газоразрядные лампы, кварцевые лампы), а также для резки и сварки металлов.

Подведем итоги пройденного раздела. Для рассмотрения процессов протекания электрического тока в газах нужно следующее.

Знать

1) Механизм протекания тока в газах.

2) Способы образования свободных носителей заряда.

Уметь

Определять тип разряда (самостоятельный и несамостоятельный).

Заключение

На этом уроке мы изучили электрический ток:

в металлах, в электролитах, в газах.

Теперь вы можете решать задачи и отвечать на вопросы, связанные с током в перечисленных средах.

На следующем уроке мы продолжим изучение тока в разных средах и рассмотрим:

электрический ток в вакууме, электрический ток в полупроводниках, вакуумный и полупроводниковый диод.

Ссылки на уроки Интернетурока по рассмотренным темам:

1. Электрический ток в металлах. Действия электрического тока. Направление тока (Физика, 8 класс, раздел \"Электрические явления\")

2. Электрический ток в металлах (Физика, 10 класс)

3. Электрический ток в полупроводниках (Физика, 10 класс)

4. Электрический ток в жидкостях (Физика, 10 класс)

5. Электрический ток в газах (Физика, 10 класс)

6. Решение задач по теме \"Электрический ток в жидкостях\" (Физика, 10 класс)