Электрический ток в различных средах (к задачнику Рымкевича для 10-11 классов)

Электрический ток в различных средах к задачнику по физике за 10-11 классы «Физика. 10-11 класс. Пособие для общеобразовательных учебных заведений» Рымкевич А.П.

Экспериментально было доказано, что носителями тока в металлах являются электроны. В отсутствии электрического поля электроны движутся хаотически, и ток в проводнике не возникает. Под действием внешнего электрического поля движение электронов становится упорядоченным, и в проводнике возникает электрический ток. Сила тока I в проводнике выражается формулой:

где e — заряд электрона, v — скорость упорядоченного движения электронов, S — площадь поперечного сечения проводника.

Если измерять сопротивление металлического проводника при различных температурах, то можно заметить, что сопротивление линейно растет с увеличением температуры. Зависимость сопротивления R от температуры t выражается формулой:

где R0 — сопротивление проводника при температуре 0°С, α — температурный коэффициент. Аналогичный вид имеет формула и для удельного сопротивления ρ:

где ρ0 — удельное сопротивление проводника при температуре 0°С.

В области низких температур сопротивление металлического проводника скачком падает до нуля. Это явление называется сверхпроводимостью.

Собственная проводимость полупроводников (проводимость чистых полупроводников) осуществляется перемещением свободных электронов (электронная проводимость) и перемещением связанных электронов на вакантные места-дырки (дырочная проводимость). Проводимость полупроводников сильно зависит от наличия примесей в нем. Примеси, которые отдают лишние валентные электроны, называются донорными. В таком полупроводнике электроны являются основными носителями тока, а дырки-неосновными, а сам полупроводник называется полупроводником n-типа. Примером такой примеси служит мышьяк для кремния. Примеси, которым не хватает валентных электронов, называются акцепторными. В таком полупро

воднике дырки являются основными носителями тока, а электроны-неосновными, а сам полупроводник называется полупроводником р-типа. Примером такой примеси служит индий.

Полупроводники нашли широкое применение в радиотехнике. На основе полупроводников изготовляют диоды, транзисторы, термисторы, фоторезисторы и др.

Чтобы создать ток в вакууме, необходим источник создания носителей тока. Действие такого источника основывается на явлении термоэлектронной эмиссии, которое заключается в том, что сильно нагретые тела испускают электроны. Рассмотрим систему из двух электродов, один из которых нагрет до температуры, достаточной для термоэлектронной эмиссии. Вокруг нагретого электрода формируется так называемое электронное облако. Если мы подключим к отрицательному полюсу источника тока нагретый электрод (катод), а к положительному-холодный (анод), то в результате между электродами возникнет электрическое поле, напряженность E которого направлена к нагретому электроду. Под действием этого поля часть электронов из электронного облака движется к холодному электроду, в результате чего в цепи возникает ток. Если же теперь поменять полюсы источника тока, то под действием созданного электрического поля электроны будут двигаться к нагретому катоду, раннее покинув его. Ток в цепи не возникнет. Таким образом, мы имеем одностороннюю проводимость. На основе только что описанной системы изготавливают вакуумные диоды.

Носителями тока в растворах или расплавах электролитов являются положительно и отрицательно заряженные ионы. В таком случае проводимость называется ионной. Если сосуд с раствором или расплавом электролита включить в цепь, то положительные ионы будут двигаться к катоду, а отрицательные-к аноду. Движение ионов в растворе или в расплаве электролита сопровождается переносом вещества и выделением его на электродах. Процесс выделения вещества на электродах называется электролизом. Масса m вещества, выделившегося на электроде при электролизе, согласно закону Фарадея, прямо пропорциональна заряду q, прошедшему через раствор или расплав электролита: m = kq = kIt, где I — сила тока в цепи, t — время прохождения тока, k — электрохимический эквивалент данного вещества. Электрохимический эквивалент вещества зависит только от рода вещества и выражается формулой:

где e - заряд электрона, NA — число Авогадро, M — молярная масса вещества, n — валентность вещества.

При нормальных условиях газ является диэлектриком. Если же газ начать нагревать или облучать ультрафиолетовыми, рентгеновскими или другими лучами, то некоторая часть молекул газа распадется на положительные ионы и электроны. Это объясняется тем, что при одном из вышеописанных воздействий на газ молекулы начинают достаточно быстро двигаться для того, чтобы при столкновениях распасться. В результате газ становится проводником с ионно-электронной проводимостью. Протекание тока через газ называется газовым разрядом. Различают самостоятельный и несамостоятельный газовый разряд. Если при прекращении действия ионизатора (нагревание, излучения) прекратится и газовый разряд, то такой разряд принято называть несамостоятельным. Если же при прекращении действия ионизатора я и газовый разряд не прекратится, то такой разряд принято называть самостоятельным. Самостоятельный разряд возникает при очень больших напряжениях на электродах. Под действием созданного между электродами высокого электрического поля E электроны приобретают кинетическую энергию, пропорциональную длине их свободного пробега L:

Если эта энергия будет превышать работу, необходимую для того, чтобы ионизовать атом газа, то при столкновении этого электрона с атомом будет происходить ионизация, в результате которой из атома вырвется еще один электрон. В результате число таких электронов возрастает образуется электронная лавина. Описанный выше процесс ионизации называется ионизацией электронным ударом.

Наверх