Электрический ток в металлах, жидкостях и газах

Электрический ток в металлах, жидкостях и газах

Электрический ток существует в разных средах, но природа носителей заряда у них различна. От этого зависят свойства проводимости, зависимость сопротивления от температуры и практические применения.

Ток в металлах

В металлах ток создают свободные электроны. С ростом температуры усиливаются колебания ионов решётки, электроны чаще рассеиваются, поэтому сопротивление металлов растёт: R = R_0·(1 + альфа·t), где альфа — температурный коэффициент. При очень низких температурах у ряда веществ наступает сверхпроводимость — сопротивление обращается в ноль.

Ток в жидкостях (электролитах)

В растворах и расплавах солей, кислот и щелочей носители заряда — ионы обоих знаков (электролитическая диссоциация). Прохождение тока сопровождается электролизом — выделением веществ на электродах. Закон Фарадея: m = k·q = k·I·t, где k — электрохимический эквивалент.

Среда	Носители заряда	Сопротивление при нагреве
Металл	свободные электроны	растёт
Электролит	положительные и отрицательные ионы	уменьшается
Газ	ионы и электроны	возникает при ионизации
Вакуум	электроны (термоэмиссия)	—

Ток в газах и вакууме

Газы в обычных условиях — изоляторы. Ток возникает при ионизации (нагрев, излучение, сильное поле) — это газовый разряд. В вакууме ток создают электроны, испускаемые раскалённым катодом (термоэлектронная эмиссия); на этом основаны электронные лампы и электронно-лучевые трубки.

Самостоятельный и несамостоятельный разряд

Если газ ионизируется только под действием внешнего источника (нагрев, излучение), а без него ток прекращается, разряд называют несамостоятельным. Когда поле само поддерживает ионизацию за счёт ударов разогнанных электронов (ударная ионизация), разряд становится самостоятельным. Примеры самостоятельного разряда — молния, дуга, свечение неоновых ламп.

Применение электролиза

Электролиз широко используют в технике: гальваностегия — нанесение защитных и декоративных покрытий (никелирование, хромирование); гальванопластика — изготовление точных металлических копий; очистка (рафинирование) меди и получение алюминия из расплавов. Масса вещества прямо пропорциональна прошедшему заряду.

Разобранный пример

Электролиз: I = 2 А, t = 30 мин = 1800 с, k(медь) = 3,3·10^-7 кг/Кл. Заряд: q = I·t = 2·1800 = 3600 Кл. Масса меди: m = k·q = 3,3·10^-7 · 3600 ≈ 1,19·10^-3 кг ≈ 1,2 г. Ответ: на катоде выделится около 1,2 г меди.

Если силу тока увеличить вдвое, за то же время выделится вдвое больше меди — около 2,4 г, ведь масса пропорциональна заряду q = I·t.

Запомните. У металлов при нагреве сопротивление растёт, у электролитов и полупроводников — падает (появляется больше носителей). Газ проводит ток только в ионизованном состоянии.

Кратко о главном

• Металлы — электроны; сопротивление растёт с температурой, возможна сверхпроводимость.
• Электролиты — ионы; электролиз подчиняется закону Фарадея m = k·I·t.
• Газы проводят ток при ионизации (газовый разряд).
• В вакууме ток обеспечивает термоэлектронная эмиссия электронов.