Электрический ток в различных средах. Полупроводники и электролиз

Электрический ток в металлах представляет собой упорядоченное (направленное) движение свободных электронов под действием электрического поля.

Экспериментальные доказательства электронной природы тока:

1. Опыт Рикке (1901 г.): через три плотно прижатых цилиндра (медь — алюминий — медь) пропускали электрический ток в течение более года (протек заряд свыше 3.5 · 10⁶ Кл). Химический и спектральный анализ показал полное отсутствие диффузии атомов меди в алюминий, доказав, что ток переносится не ионами вещества, а одинаковыми для всех металлов частицами — электронами;

2. Опыты Мандельштама — Папалекси (1913 г.) и Стюарта — Толмена (1916 г.): катушку с проводом приводили в быстрое вращение и резко тормозили. По инерции свободные электроны продолжали двигаться, создавая кратковременный импульс тока в цепи гальванометра. По направлению тока и заряду было доказано, что носители заряжены отрицательно, а их удельный заряд e/m в точности совпал с удельным зарядом электрона.

Зависимость сопротивления металлов от температуры:

При нагревании металла амплитуда тепловых колебаний ионов кристаллической решетки возрастает, и электроны чаще рассеиваются на узлах решетки. Сопротивление металлических проводников линейно растет с температурой:

где R₀ — сопротивление при 0 °C, t — температура в °C, α — температурный коэффициент сопротивления (для чистых металлов α ≈ 1/273 К⁻¹ ≈ 0.0037–0.004 К⁻¹).

Сверхпроводимость — квантовое макроскопическое явление, заключающееся в полном скачкообразном исчезновении электрического сопротивления вещества при охлаждении ниже критической температуры T_кр.

Открытие явления:

В 1911 году нидерландский физик Хейке Камерлинг-Оннес в Лейденской лаборатории впервые ожижил гелий (температура кипения 4.2 К). Измеряя сопротивление замороженной ртути, он обнаружил, что при температуре T_кр = 4.15 К электрическое сопротивление ртути мгновенно и скачкообразно упало до строго нуля!

Фундаментальные свойства сверхпроводников:

1. Строго нулевое омическое сопротивление (R = 0): электрический ток, запущенный в замкнутое сверхпроводящее кольцо, циркулирует в нем годами без затухания и без подвода внешней энергии;

2. Эффект Мейснера — Оксенфельда (1933 г.): полное выталкивание постоянного магнитного поля из объема сверхпроводника (магнитная индукция внутри B = 0). Сверхпроводник ведет себя как идеальный диамагнетик, что порождает явление магнитной левитации (магнит парит над охлажденным сверхпроводником);

3. Разрушение сверхпроводимости: сверхпроводящее состояние мгновенно разрушается при повышении температуры выше T_кр, при превышении критической силы тока I_кр или критического магнитного поля B_кр.

Высокотемпературная сверхпроводимость (ВТСП):

В 1986 году Беднорц и Мюллер открыли сверхпроводимость в сложных купратных керамиках (YBCO) при температурах выше 77 Кельвинов (температура кипения дешевого жидкого азота). Это открыло путь к широкому промышленному применению сверхпроводников в магнитно-резонансной томографии (МРТ), поездах на магнитной подушке (Maglev) и термоядерных токамаках.

Электролиты — растворы или расплавы солей, кислот и щелочей, проводящие электрический ток. Носителями заряда в электролитах являются положительные и отрицательные ионы (ионная проводимость).

Электролитическая диссоциация — распад нейтральных молекул растворенного вещества на ионы под действием полярных молекул растворителя (воды). При пропускании тока положительные ионы (катионы: H⁺, Cu²⁺) движутся к отрицательному катоду, а отрицательные ионы (анионы: OH⁻, Cl⁻, SO₄²⁻) — к положительному аноду.

Электролиз — совокупность электрохимических окислительно-восстановительных процессов, протекающих на погруженных в электролит электродах при прохождении тока, сопровождающихся выделением вещества.

Законы электролиза Майкла Фарадея (1833 г.):

1. Первый закон Фарадея: масса вещества m, выделившегося на электроде, прямо пропорциональна электрическому заряду q, прошедшему через электролит:

где k — электрохимический эквивалент вещества (в СИ измеряется в кг/Кл).

2. Второй закон Фарадея: электрохимический эквивалент k прямо пропорционален химическому эквиваленту вещества (отношению молярной массы M к валентности z):

где F = e · N_A ≈ 96485 Кл/моль — постоянная Фарадея (заряд 1 моля электронов).

Объединенный закон Фарадея:

Применение электролиза: промышленная выплавка алюминия, рафинирование меди, гальваностегия (хромирование, никелирование) и гальванопластика.

Полупроводники (кремний Si, германий Ge, арсенид галлия GaAs) занимают промежуточное положение по удельной проводимости между металлами и диэлектриками. В отличие от металлов, с ростом температуры сопротивление полупроводников не растет, а экспоненциально падает!

1. Собственная проводимость (чистый Si):

Атомы кремния образуют ковалентные связи четырьмя валентными электронами. При нагреве или освещении тепловые кванты разрывают связи, порождая пару свободных носителей: свободный электрон проводимости и вакантное место с нескомпенсированным плюсом — дырку. Проводимость чистых полупроводников называется электронно-дырочной.

2. Примесная проводимость:

• Донорная примесь (пятивалентные фосфор P, мышьяк As в решетке четырехвалентного Si): пятый электрон легко отрывается и становится свободным. Преобладают электроны — полупроводник n-типа (negative);

• Акцепторная примесь (трехвалентные бор B, индий In): не хватает одного электрона для завершения связи, захватывается электрон от соседнего кремния, порождая дырку. Преобладают дырки — полупроводник p-типа (positive).

3. Электронно-дырочный переход (p-n переход):

Область соприкосновения двух полупроводников p- и n-типа обладает односторонней проводимостью:

• Прямое включение (+ к p, - к n): основные носители преодолевают запирающий слой, через переход течет сильный прямой ток;

• Обратное включение (+ к n, - к p): внешнее поле расширяет обедненную зону, ток практически равен нулю.

На свойстве p-n перехода основана вся современная микроэлектроника: полупроводниковые диоды, транзисторы, микропроцессоры, солнечные элементы и светодиоды (LED).

1. Ток в газах (газовый разряд):

В нормальных условиях газы являются отличными диэлектриками (состоят из нейтральных атомов). Прохождение тока через газ называют газовым разрядом. Для возникновения тока необходима ионизация (нагревом, ультрафиолетом, рентгеном).

• Несамостоятельный разряд — существует только при непрерывном действии внешнего ионизатора (при его отключении ток быстро затухает);

• Самостоятельный разряд — продолжается после прекращения действия ионизатора за счет лавинной ударной ионизации нейтральных молекул ускоренными электронами.

Виды самостоятельного газового разряда:

• Тлеющий разряд: при низких давлениях, холодное свечение (рекламные неоновые трубки, люминесцентные лампы);

• Дуговой разряд: при высокой плотности тока и раскаленных электродах (электросварка, металлургические печи, прожекторы);

• Искровой разряд: при высоком напряжении в виде ветвящихся светящихся каналов (молния, свеча зажигания двигателя);

• Коронный разряд: у заостренных предметов при высокой напряженности поля (огни святого Эльма, потери на высоковольтных ЛЭП).

2. Плазма — четвертое состояние вещества, представляющее собой частично или полностью ионизованный квазинейтральный газ. В состоянии плазмы находится более 99% видимой материи Вселенной (Солнце, звезды, межзвездные туманности, ионосфера Земли).

3. Ток в вакууме и термоэлектронная эмиссия:

В глубоком вакууме отсутствуют молекулы. Для создания тока используют термоэлектронную эмиссию — испускание электронов поверхностью нагретых металлов (накаленный катод в вакуумном диоде или электронной пушке кинескопа).