Свободные носители электрических зарядов и электропроводность веществ

Постоянный электрический ток возникает, если имеется электрическое поле (разность потенциалов) и свободные носители зарядов: положительные и отрицательные частицы или квазичастицы. Атом не может быть свободным носителем заряда, он электрически нейтрален; но если электрон или несколько электронов покинут свои орбиты, появляются отрицательные и положительные носители заряда. Чтобы оторвать электрон от атома, нужно приложить энергию; это может быть тепловая, электрическая, механическая энергия, химическая реакция.

Строение атома влияет на электропроводность вещества

 
Атом – это массивное положительное ядро и электронное облако. По законам микромира, электронное облако атома не может быть однородным и хаотичным. Оно разделено на так называемые оболочки, где строго соблюдается иерархия квантовых состояний.

Строение атома

Свойства атома зависят от того, сколько электронов имеется на внешней оболочке. Полностью заполнена внешняя электронная оболочка у инертных газов. В нормальных условиях они не проводят ток. Но если создать особые условия (пониженное давление, высокое электрическое напряжение), атомы теряют электроны, и возникает электрический ток.

Атомы металлов имеют на внешней оболочке от одного до трех электронов, и эти внешние электроны внутри кристаллической решетки металла легко «слетают» со своих орбит и образуют «электронный газ», обеспечивающий хорошую электропроводность металлов.

Для возникновения электрического тока в металле не надо никаких дополнительных условий: электронный газ реагирует на малейшее электрическое напряжение, измеряемое милливольтами, микровольтами.  Притом металлы пригодны и для передачи больших токов и напряжений.

Элементы, имеющие более трех электронов на внешней оболочке, относятся к неметаллам, причем наличие четырех электронов придает элементам особый переходной статус. Они проводят ток, но значительно слабее, чем металлы, и механизм проводимости и них отличается от «металлического».

Неметаллы. , электронов

Неметаллы, имеющие пять и более электронов на внешней оболочке, образуют группу диэлектриков. Их проводимость в нормальных условиях, при небольших  напряжениях очень мала. Среди них есть вещества, из которых делают надежные изоляторы. Однако для каждого изолятора указывают электрическую прочность: максимальное напряжение, которое он может выдержать. Превышение этого напряжения ведет к пробою изолятора: электроны  срываются с орбит, атомы разрушаются, и в диэлектрике появляется канал с высокой электропроводностью.

Электроны, протоны, ионы

 
Частицы, несущие отрицательный заряд – это электроны. Положительный заряд имеют протоны. Заряды электронов и протонов противоположны по знаку, но в точности равны по величине. А вот по массе эти частицы сильно различаются: протоны тяжелее электронов в 1800 раз.

Подвижные, юркие электроны являются свободными носителями заряда во многих веществах: металлах, полупроводниках, в газообразных средах.

Протоны, как отдельные частицы, являются свободными носителями заряда только в высокотемпературной плазме. В привычных нам условиях положительно заряженные носители свободного заряда существуют в виде ионов. Ион – это атом или группа атомов, у которых меньше электронов в электронном облаке, чем протонов в ядрах.

Ионы могут быть свободными носителями заряда в жидких и газообразных средах. В твердом теле ионизированные атомы прочно удерживаются кристаллической решеткой.

Проводимость металлов: электронный газ

 
Кристаллическая решетка металла создает внутренние силы, способствующие тому, чтобы электроны с внешних оболочек покидали «свое» ядро. Для их перехода в свободное состояние, переход в зону проводимости, не требуется дополнительных усилий.

Если к металлическому предмету приложить электрическое поле – потечет ток. Электрический ток – это суммарный электрический заряд, проходящий через сечение проводящего тела за секунду.

Электроны приходят в движение по всей длине проводника, измеренные значения тока одинаковы в любом сечении.

Отметим, что ток мгновенно возникает во всем проводнике благодаря распространению электрического поля, но свободные носители заряда, электроны, продвигаются весьма медленно.

При малых напряжениях они еле бредут, наталкиваясь на ядра атомов, их тепловое движение гораздо интенсивнее, чем упорядоченное перемещение  к положительному электроду.

Если металл нагревать, ток уменьшится. Это оттого что тепловое движение самих электронов и кристаллической решетки замедляет упорядоченное движение электронов, иными словами, при повышении температуры электрическое сопротивление металл увеличивается, а его проводимость уменьшается.

Нагревание металла

Электрический ток повышает температуру металла, с этим связан первоначальный скачок тока в проводнике и последующее его снижение. Холодный металл имеет небольшое сопротивление и пропускает значительный ток; но этот ток нагревает металл, сопротивление растет, ток уменьшается.

Электрический ток в полупроводниках

 
Вещества со слабой проводимостью, являющиеся плохими проводниками и плохими изоляторами, приобрели особое значение в эру электроники. Такие вещества назвали полупроводниками. У них большое электрическое сопротивление, при подаче напряжения возникает малый ток. При повышении температуры этот ток возрастает, поскольку при нагреве кристаллической решетки электроны легче покидают свои орбиты.

Ток в газоразрядных лампах

 
Атомы инертных газов прочны, не склонны вступать в химическую реакцию и отдавать электроны. Но под воздействием электрического поля электронное облако деформируется, вытягивается… и некоторые электроны слетают с орбит.

Газоразрядная лампа

Если бы проводимость инертных газов определялась только этими электронами, слетевшими с орбит под действием электрического поля, то газоразрядные лампы не светились бы при сравнительно небольших электрических напряжениях. Но электронов проводимости в аргоновых, неоновых, гелиевых лампах значительно больше!

Электроны, получившие свободу, разгоняются под действием электрического поля и налетают на нейтральные атомы, при этом нередко происходит «выбивание» новых электронов с орбиты.

Эти новые электроны тоже разгоняются и способствуют ионизации новых атомов. Процесс приобретает характер лавины, ток практически мгновенно возрастает.

В газоразрядной лампе есть и отрицательные носители заряда (это электроны), и положительные (ионизированные атомы). Ионы движутся к отрицательному электроду и нейтрализуются, получая недостающие электроны; электроны летят к положительному электроду.

Лавинообразное возрастание числа свободных электронов происходит и в воздухе во время грозового разряда.

Электрический ток в жидкостях. Электролиз.

 
Жидкости бывают проводящие электрический ток и непроводящие. Машинное масло не имеет электропроводности, не проводят ток бензин и керосин. А вот вода – неплохой проводник электрического тока, и чем больше в ней растворено солей, тем меньше ее сопротивление.

Дистиллированная вода имеет небольшое количество свободных зарядов, поскольку малая доля молекул воды находятся в «разобранном состоянии»: положительно заряженный ион водорода (фактически, просто протон), и отрицательно заряженная группа из атомов водорода и кислорода, имеющая на орбите «лишний» электрон.

Если в сосуд с водой погрузить электроды, то начнется выделение пузырьков газа. Это происходит так: ионы водорода перемещаются к отрицательному электроду, там протон получает электрон для своей оболочки, появляется полноценный атом, который воссоединяется с другим атомом водорода, образуя молекулу. Газообразный водород выделяется из воды.

Дистиллированная вода в колбе

Группы (ОН-) – ионизированная пара атомов кислорода и водорода – движутся к положительному электроду. Там они теряют лишний электрон, и либо захватывают у другой группы атом водорода и превращаются в молекулу воды, либо распадаются – водород дополняет другую молекулу воды, а атом кислорода воссоединяется с другим таким же и всплывает наверх. Так при электролизе воды получаются кислород и водород.

Чистая, дистиллированная вода слабо проводит ток. Но если в ней растворена обычная поваренная соль, проводимость возрастает в несколько раз. Молекулы соли в водном растворе распадаются на ионы: положительный натрий и отрицательный хлор. Прохождение тока сопровождается выделением чистого натрия на отрицательном электроде, и ядовитого газа хлора – на положительном электроде.

Электролиз играет большую роль в промышленности: его применяют для покрытия предметов металлической пленкой,  для получения чистых металлов. Но это вредное производство, оно влияет на здоровье рабочих и на состояние окружающей природы. В последнее время его вытесняют другие технологии, более совершенные.