Электрический ток в средах.

Природа электрического тока в металлах. Все металлы в твердом и жидком состоянии являются проводниками электрического тока. Специально поставленные опыты показали, что при прохождении электрического тока масса металлических проводников остается постоянной, не изменяется и их химический состав. На этом основании можно было предположить, что в создании электрического тока в металлах участвуют только электроны. Предположение об электронной природе электрического тока в металлах подтверждено опытами российских физиков Л. И.Мандельштама и Н. Д. Папалекси и американских физиковТ. Стюарта и Р. Толмена.

В этих опытах было обнаружено, что при резкой остановке быстро вращающейся катушки в проводе катушки возникает электрический ток, создаваемый отрицательно заряженными частицами - электронами. При отсутствии электрического поля свободные электроны перемещаются в кристалле металла хаотически. Под действием электрического поля свободные электроны кроме хаотического движения приобретают упорядоченное движение в одном направлении и в проводнике возникает электрический ток. Свободные электроны сталкиваются с ионами кристаллической решетки, отдавая им при каждом столкновении кинетическую энергию, приобретенную при свободном пробеге под действием электрического поля. В результате упорядоченное движение электронов в металле можно рассматривать как равномерное движение с некоторой постоянной скоростью.Так как кинетическая энергия электронов, приобретаемая под действием электрического поля, передается при столкновении ионам кристаллической решетки, то при прохождении постоянного тока проводник нагревается.

Зависимость удельного электрического сопротивления металлов от температуры. Удельное сопротивление металлов при нагревании увеличивается приблизительно по линейному закону:

 

где α – температурный коэффициент.

С приближением температуры к абсолютному нулю удельное сопротивление монокристаллов становится очень малым. Этот факт свидетельствует о том, что в идеальной кристаллической решетке металла электроны перемещаются под действием электрического поля, не взаимодействуя с ионами решетки. Длина их свободного пробега при этом может достигать значений порядка 1 см, т. е. в 10⁷-10⁸ раз превышает межатомные расстояния в кристалле. Электроны взаимодействуют лишь с ионами, не находящимися в узлах кристаллической решетки. При повышении температуры возрастает число дефектов в кристаллической решетке из-за тепловых колебаний ионов, что приводит к возрастанию удельного сопротивления кристалла. В том, что электрическое сопротивление металлов обусловлено взаимодействиями электронов проводимости с различными дефектами решетки, убеждает и тот факт, что удельное сопротивление кристаллов металлов сильно зависит от наличия в них примесей.

Например, введение 1% примеси марганца увеличивает удельное сопротивление меди в три раза. Сверхпроводимость. В 1911 г. нидерландский ученыйГейке Камерлинг-Оннес(1853—1926) обнаружил, что при понижении температуры ртути до 4,1 К ее удельное сопротивление скачком уменьшается до нуля. Явление уменьшения удельного сопротивления до нуля при температуре, отличной от абсолютного нуля, называется сверхпроводимостью, Материалы, обнаруживающие способность переходить при некоторых температурах, отличных от абсолютного нуля, в сверхпроводящее состояние, называются сверхпроводниками.

Прохождение тока в сверхпроводнике происходит без потерь энергии, поэтому однажды возбужденный в сверхпроводящем кольце электрический ток может существовать неограниченно долго без изменения. Сверхпроводящие материалы уже используются в электромагнитах. Ведутся исследования, направленные на создание сверхпроводящих линий электропередачи.

Применение явления сверхпроводимости в широкой практике может стать реальностью в ближайшие годы благодаря открытию в 1986 г. сверхпроводимости керамик - соединений лантана, бария, меди и кислорода. Сверхпроводимость таких керамик сохраняется до температур около 100 К.

Скорость упорядоченного движения электронов в проводнике. Для определения скорости упорядоченного движения свободных электрических зарядов в проводнике нужно знать концентрацию п свободных носителей заряда и силу тока. Если концентрация свободных электрических зарядов в проводнике n, то за промежуток временичерез поперечное сечение S проводника при скорости ѵ; их упорядоченного движения проходит электрический заряд, равный:

 

где е — модуль заряда электрона.

 

 

Электрический ток в электролитах. Закон электролиза.

Вещества, растворы которых проводят электрический ток, называются электролитами.

Вода и кристаллы хлорида меди практически не проводят электрический ток. Раствор хлорида меди в воде является хорошим проводником. При прохождении электрического тока через водный раствор хлорида меди у положительного электрода, называемого анодом, выделяется газообразный хлор. На отрицательном электроде, называемом катодом, выделяется медь .

Изменение химического состава раствора или расплава при прохождении через него электрического тока, обусловленное потерей или присоединением электронов ионами, называется электролизом.

Фарадей установил, что при прохождении электрического тока через электролит масса т вещества, выделившегося на электроде, прямо пропорциональна заряду, прошедшему через электролит:

 

 

Эта формула называются законом электролиза.

Коэффициент пропорциональности k в этом выражении называется электрохимическим эквивалентом вещества.

Механизм электролиза. Особенностью молекул электролитов является перераспределение электрических зарядов, в результате которого одна часть молекулы вещества электролита оказывается заряженной положительно, другая - отрицательно. Разноименно заряженные части молекулы связываются кулоновскими силами притяжения. При растворении электролита в жидкости, например хлорида натрия в воде, взаимодействие молекул жидкости с ионами электролита ослабляет связь между ионами и некоторые из них освобождаются из кристалла. Разделение ионного кристалла на ионы происходит за счет энергии теплового движения молекул. В электрическом поле ионы электролита приходят в движение: положительные ионы движутся к катоду, отрицательные - к аноду. Так возникает электрический ток в электролите. При встрече положительного и отрицательного ионов происходит их соединение - рекомбинация. Из-за увеличения концентрации ионов при повышении температуры значение электрического сопротивления электролита с повышением температуры уменьшается. Примером твердого электролита может служить стекло, в котором имеются ионы натрия. При низких температурах перемещение ионов в стекле затруднено и стекло является хорошим изолятором. При нагревании стекла до 300 - 400⁰С, ионы получают возможность перемещаться под действием электрического поля и стекло становится проводником электрического тока. Электрический ток в любых электролитах создается движением положительных и отрицательных ионов, т. е. заряженных атомов или молекул вещества.

Применение электролиза. Явление электролиза широко применяется в современном промышленном производстве. С помощью электролиза из солей и оксидов получают многие металлы, например медь, никель, алюминий. Электролитический способ дает возможность получать вещества с малым количеством примесей. Поэтому его применяют для получения многих веществ, когда требуется высокая степень химической чистоты. Путем электролиза можно наносить тонкие слои металлов, например хрома, никеля, серебра, золота, на поверхность изделий из других металлов. Эти слои могут служить защитой изделия от окисления, повышать его прочность или просто украшать изделие. Электролитический способ покрытия изделий тонким слоем металла называется гальваностегией. При более длительном пропускании тока через электролит можно получить на изделии такой толстый слой металла, который может быть отделен от него с сохранением формы. Электролитическое получение точных копий различных изделий называется гальванопластикой. С помощью гальванопластики получают копии изделий сложной формы, копии скульптур и других произведений искусства. Явление электролиза лежит в основе принципа действия кислотных и щелочных аккумуляторов, где используется важное свойство процесса электролиза — его обратимость.

Опыты Фарадея показали, что для разных электролитов электрохимический эквивалент k вещества оказывается различным, но, чтобы выделить на электроде 1 моль любого одновалентного вещества, требуется пропустить один и тот же заряд равный примерно 9,6 · 10⁴ Кл. Более точное значение этой величины, называемой постоянной Фарадея равно96 485 Кл/моль.

Второй закон Фарадея:

 

 

Электрический ток в газах. Обычно вещество в газообразном состоянии является изоляторами, так как атомы или молекулы, из которых оно состоит, содержит одинаковое число отрицательных и положительных электрических зарядов и в целом нейтральны. Внесём в пространство между пластинками пламя спички. При этом электрометр начнёт быстро разряжаться. Следовательно, воздух под действием пламени стал проводником. При вынесении пламени из пространства между пластинами разряд электрометра прекращается. Такой же результат можно получить, облучая пластины светом электрической дуги. Эти опыты доказывают, что газ может стать проводником электрического тока.