Електрична провідність в різних середовищах

Якщо з'єднати дротом два провідника, між якими була створена різниця потенціалів, то потенціали будуть вирівнюватися, при цьому заряди на провідниках перерозподіляються, а в сполучної дроті відбувається спрямоване переміщення зарядів, звані струмом. Струм під дією додатків різниці потенціалів виникає в будь-якому середовищі, де є вільні електрони. Електрична провідність (Е.П.) характеризує здатність речовини проводити струм, вона обернено пропорційна електричному опору, має розмірність [Ом-1 = См (сіменс)].

Залежно від виду і природи зарядоносителей провідність буває електронної, іонної і доречний. Електронної провідністю мають метали. Існує така провідність і в верхніх шарах атмосфери, де щільність речовини невелика, завдяки чому електрони можуть вільно переміщатися, що не з'єднуючись з позитивно зарядженими іонамі.Жідкіе електрони володіють іонною провідністю. Іони, що є зарядоносітелямі, при русі переміщують речовина, в результаті чого відбувається виділення його на електродах.Возможен механізм провідності, обумовлений розривом валентної зв'язку, що призводить до появи вакантного місця з відсутньою зв'язком. Таке "порожні" місце з відсутніми електронами зв'язку отримало назву - дірка. Виникнення дірки в кристалі провідника створює додаткову можливість для переносу заряду. Цей процес, що супроводжується переміщенням електронів, отримав назву доречнийпровідністю.

Експериментально показано, що в металах іони не беруть участі в перенесенні електричних зарядів, тому що в противному випадку електричний струм обов'язково супроводжувався б перенесенням матеріалу, що не спостерігалося. У дослідах з інерцією електронів було встановлено, що електричний струм в металах зумовлений впорядкованим рухом вільних електронів. Якщо всередині металу немає електричного струму, то електрони провідності здійснюють безладний рух (теплове): в кожен момент часу вони мають неоднакові швидкості і різні напрямки. Сумарний заряд, що проходить через будь-який майданчик всередині металу, під час відсутності зовнішнього поля дорівнює нулю. Якщо до кінців провідника приєднати різниця потенціалів, тобто створити всередині провідника поле напруженістю Е, то на кожен електрон буде діяти сила, спрямована протилежно полю. В результаті виникає електричний струм. На підставі подань про електричному газі легко пояснюється велика теплопровідність металів. Справді, вільні електрони, беручи участь в тепловому русі і володіючи великою рухливістю, будуть сприяти вирівнюванню відмінностей в температурі тіла. В металах концентрація електронів провідності майже не залежить від температури. Існує група матеріалів, в яких електричний струм також обумовлений переміщенням вільних електронів, однак концентрація цих електронів залежить від температури: питомий опір таких матеріалів при зниженні температури сильно зростає, а при підвищенні температури - значно зменшується. Такі матеріали є електронними провідниками. До полупроводником відносяться: кремній, германій, селен і багато сполук металів з сіркою, селеном, телуром, а також деякі органічні сполуки. У напівпровідниках, як і в металах, при проходженні струму не відбувається ніяких хімічних змін. Це свідчить про те, що іони не беруть участі в перенесенні зарядів. Для того щоб збільшити концентрацію вільних електронів в напівпровідниках, необхідно затратити деяку енергію для відриву пов'язаних електронів. Її називають енергією іонізації. При підвищенні температури збільшується кількість електронів з тепловою енергією, що перевищує, тобто росте частка вільних електронів. Із зовнішнього боку метали, як відомо, характеризуються насамперед особливим "металевим" блиском, що обумовлюється їх здатністю сильно відбивати промені світла. Однак цей блиск спостерігається звичайно тільки в тому випадку, коли метал утворює суцільну компактну масу. Правда, магній і алюміній зберігають свій блиск, навіть будучи перетвореними в порошок, але більшість металів в мелкораздробленном вигляді має чорний або темно-сірий колір. Потім типові метали володіють високою тепло- і електропровідністю, причому по здатності проводити тепло і струм розташовуються в одному і тому ж порядку: кращі провідники - срібло і мідь, гірші - свинець і ртуть. З підвищенням температури електропровідність падає, при зниженні температури, навпаки, збільшується. Дуже важливою властивістю металів є їх порівняно легка механічна деформованість. Метали пластичні, вони добре куються, витягуються в дріт, прокочуються в листи і т.п. Характерні фізичні властивості металів знаходяться в зв'язку з особливостями їх внутрішньої структури. Відповідно до сучасних поглядів, кристали металів складаються з позитивно заряджених іонів і вільних електронів, відщепилися від відповідних атомів. Весь кристал можна собі уявити у вигляді просторової решітки, вузли якої зайняті іонами, а в проміжках між іонами знаходяться легкорухливі електрони. Ці електрони постійно переходять від одних атомів до інших і обертаються навколо ядра то одного, то іншого атома. Так як електрони не пов'язані з певними іонами, то вже під впливом невеликої різниці потенціалів вони починають переміщатися в певному напрямку, тобто виникає електричний струм. Наявністю вільних електронів обумовлюється і висока теплопровідність металів. Перебуваючи в безперервному русі, електрони постійно зіштовхуються з іонами і обмінюються з ними енергією. Тому коливання іонів, що посилилися в даній частині металу внаслідок нагрівання, зараз же передаються сусіднім іонам, від них - наступним і т.д. і тепловий стан металу швидко вирівнюється; вся маса металу приймає однакову температуру.

У явищах електричного розряду в газах велику роль грає іонізація атомів електронними ударами. Цей процес полягає в тому, що електрон, що рухається, що володіє достатньою кінетичної енергією, при зіткненні з нейтральним атомом вибиває з нього один або кілька атомних електронів, в результаті чого нейтральний атом перетворюється в позитивний іон, а в газі з'являються нові електрони (про це буде розглянуто пізніше). Механізм провідності газів схожий на механізм провідності розчинів і розплавів електролітів. При відсутності зовнішнього поля заряджені частинки, як і нейтральні молекули рухаються хаотично. Якщо іони і вільні електрони виявляються в зовнішньому електричному полі, то вони приходять в спрямований рух і створюють електричний струм в газах. Таким чином, електричний струм в газі Це спрямоване рух позитивних іонів до катода, а негативно заряджених іонів і електронів до анода. Повний струм в газі складається з двох потоків заряджених частинок: потоку, що йде до анода, і потоку, спрямованого до катода. Процес проходження електричного струму через газ називається газовим розрядом. Якщо електропровідність газу створюється зовнішніми ионизаторами, то електричний струм, що виникає в ньому, називається несамостійним газовим розрядом. З припиненням дії зовнішніх іонізаторів несамостійний розряд припиняється. Несамостійний газовий розряд не супроводжується світінням газу. Електричний розряд в газі, що зберігається після припинення дії зовнішнього іонізатора, називається самостійним газовим розрядом. Для його здійснення необхідно, щоб в результаті самого розряду в газі безперервно утворювалися вільні заряди. Основним джерелом їх виникнення є ударна іонізація молекул газу. Якщо після досягнення насичення продовжувати збільшувати різницю потенціалів між електродами, то сила струму при досить великій напрузі стане різко зростати. Це означає, що в газі з'являються додаткові іони, які утворюються за рахунок дії іонізатора. Сила струму може зрости в сотні і тисячі разів, а число заряджених частинок, що виникають в процесі розряду, може стати таким великим, що зовнішній іонізатор буде вже не потрібен для підтримки розряду. Позитивні іони, що утворилися при зіткненні електронів з нейтральними атомами, при своєму русі до катода набувають під дією поля велику кінетичну енергію. При ударах таких швидких іонів про катод з поверхні катода вибиваються електрони. Крім того, катод може випускати електрони при нагріванні до високої температури. Цей процес називається термоелектронної емісією. Його можна розглядати як випаровування електронів з металу. У багатьох твердих речовинах термоелектронна емісія відбувається при температурах, при яких випаровування самого речовини ще мало. Такі речовини і використовуються для виготовлення катодів. При самостійному розряді нагрівання катода може відбуватися за рахунок бомбардування його позитивними іонами. Якщо енергія іонів не дуже велика, то вибивання електронів з катода не відбувається і електрони випускаються внаслідок термоелектронної емісії.

Плазма - це частково або повністю іонізований газ, в якому густини позитивних і негативних зарядів практично однакові. Таким чином, плазма в цілому є електрично нейтральною системою.

otherreferats.allbest.ru [1] Посилання на зображення [2] [3]