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.
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, 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.
Виды электрического тока
Различают две разновидности тока: постоянный ток и переменный.
Постоянный
Для него характерно неизменное направление движения заряженных частиц. Примером служат сухие батарейки, аккумуляторы небольшой емкости, солнечные батареи и др. Используется в процессе дуговых сварочных работ, при организации движения на электрифицированных железнодорожных полотнах, электролизе алюминия и др. Формируется при помощи специальных генераторов. За его направление принимают движение частиц от «плюса» к «минусу».
Двигатель постоянного тока
Переменный
В данном случае он способен менять свои характеристики: величину и направление движения. Количество изменений за единицу времени называют частотой, измеряющуюся герцами. Его используют на строительных площадках и для промышленных целей (шлифовальное оборудование, электрические дрели и др.)
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.
2.1. Виды электропроводности полупроводников.
Принцип работы полупроводниковых приборов связан с тем, что в полупроводниках существует электропроводность двух видов – электронная и дырочная.
Электронная электропроводность обусловлена перемещением в одном направлении свободных электронов. При обычных рабочих температурах в чистых, беспримесных полупроводниках всегда есть электроны, которые очень слабо связаны с ядрами атомов, становятся свободными и совершают беспорядочное, хаотическое, тепловое движение между атомами кристаллической решетки. Эти электроны под действием электрического поля могут начать двигаться в определенном направлении. Такое направленное движение и есть электрический ток.
Дырочная электропроводность является особенностью полупроводников и не наблюдается в металлах, т.е. в проводниковых материалах (проводниках).
В атоме полупроводника под влиянием чаще тепловых или других внешних воздействий один из валентных электронов может покинуть атом и стать свободным (рис.3). Тогда атом приобретает положительный заряд, но по величине равный отрицательному заряду электрона. Такой атом называется положительным ионом, а процесс превращения атома в ион – ионизацией.
В полупроводниках кристаллическая решетка прочна. Её ионы не передвигаются, а остаются на своих местах в узлах кристаллической решетки, т.е. являются неподвижными зарядами.
Отсутствие электрона на орбите атома полупроводника условно назвали дыркой. Этим подчеркивают, что в атоме не хватает одного электрона, т. е. образовалось свободное место – дырка. Дырки [3] ведут себя, как элементарные положительные заряды.
Возникновение дырки можно пояснить с помощью плоскостной модели полупроводника (рис.3). Один из электронов, участвующих в ковалентной связи, получив дополнительную энергию W > ?W, становится электроном проводимости, т. е. свободным носителем заряда. Он может перемещаться между атомами кристаллической решетки, а при движении большого количества таких свободных электронов в одном направлении, они создают электрический ток. Его прежнее место теперь свободно. Это и есть дырка, изображенная на рис.3 светлым кружком.
При дырочной электропроводности под влиянием приложенной разности потенциалов перемещаются дырки, что эквивалентно перемещению положительных зарядов. Такой процесс показан на рис.4, где изображено для различных моментов времени несколько атомов, расположенных вдоль полупроводника.
Пусть в начальный момент времени (рис. 4, а) в крайнем атоме слева (номер 1) появилась дырка, вследствие того что из этого атома ушел электрон, т.е. стал свободным.
Атом с дыркой (он заштрихован) имеет положительный заряд и может притянуть к себе электрон из соседнего атома номер 2.
Если в полупроводнике действует электрическое поле (разность потенциалов), то это поле стремится двигать электроны в направлении от отрицательного потенциала к положительному. Поэтому в следующий момент (рис.4,б) из атома 2 один электрон перейдет в атом 1 и заполнит дырку, а новая дырка образуется в атоме 2. Далее один электрон из атома 3 перейдет в атом 2 и заполнит в нем дырку. Тогда дырка возникнет в атоме 3 Рис. 4 (рис.4, в) и т.д.
Такой процесс будет продолжаться, и дырка перейдет из крайнего левого атома 1 в крайний правый под номером 6. Иначе говоря, первоначально возникший в атоме 1 положительный заряд перейдет в атом 6 (рис.4, е).
Как видно, при дырочной электропроводности в действительности тоже перемещаются электроны, но более ограниченно, т.е. пройденное расстояние меньше, чем при электронной электропроводности, когда электрон может двигаться в кристаллической решетке. Рис. 5
При дырочной электропроводности электроны переходят из данных атомов только в соседние. Результатом этого является перемещение положительных зарядов – дырок в направлении, противоположном движению электронов.
Электропроводность полупроводников может быть также объяснена их энергетической диаграммой (рис.5).
При температуре абсолютный ноль, т.е. Т = 0К = – 273ºС, полупроводник, не содержащий примесей, является диэлектриком, в нем нет электронов и дырок проводимости. Но при повышении температуры Т > 0К электропроводность полупроводника возрастает, так как электроны валентной зоны получают при нагреве дополнительную энергию[4] W = kT и за счет этого некоторое их количество преодолевает запрещенную зону и переходит из валентной зоны в зону проводимости. Этот переход показан на рис.6 сплошной стрелкой.
Ширина запрещенной зоны ?W у полупроводников сравнительно невелика (для германия ?W = 0,72 эВ, а для кремния ?W = 1,12 эВ).
Таким образом, появляются электроны проводимости и возникает электронная электропроводность. Каждый электрон, перешедший в зону проводимости, оставляет в валентной зоне свободное место – дырку, т. е. в валентной зоне возникают дырки проводимости, число которых равно числу электронов, перешедших в зону проводимости. Следовательно, вместе с электронной создается и дырочная электропроводность.
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.
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.
Направленное движение электрических зарядов называется электрическим током. Носителями зарядов в зависимости от типа проводника могут быть электроны и ионы. В металлических проводниках – это свободные электроны, или электроны проводимости, в гальванических ваннах, т. е. в растворах электролитов, – положительные и отрицательные ионы. Тела или вещества, в которых можно создать электрический ток, называют проводниками электрического тока. Проводниками являются все металлы, водные растворы солей или кислот, ионизованные газы.
При движении свободных заряженных частиц происходит перенос заряда. Количественной характеристикой – силой $$ I$$ тока – принято считать скорость переноса заряда через любое поперечное сечение проводника, т. е. количество заряда, перемещённого через «контрольную поверхность», на которой осуществляется подсчёт пересёкшего её заряда, в единицу времени:
`I=q/t`, (1)
где `q` – заряд, прошедший через произвольное фиксированное поперечное сечение проводника за время от `0` до `t`. Если сила тока не изменяется со временем, ток называют постоянным. Единица измерения силы тока в системе СИ называется ампером (А) (в честь А.М. Ампера – французского учёного XIX века) и вводится через магнитное взаимодействие токов.
Один ампер есть сила такого тока, поддерживаемого в двух бесконечных (очень длинных) прямолинейных параллельных проводниках ничтожно малой площади поперечного сечения, расположенных на расстоянии `1`м в вакууме, при котором в расчёте на `1` метр длины проводника действует сила `F=2*10^(-7) «Н»`.
Единица измерения силы тока ампер, наряду с метром, секундой, килограммом, является основной единицей системы СИ. Единица измерения заряда кулон (Кл) является производной и вводится в соответствии с (1): один кулон – это электрический заряд, проходящий через поперечное сечение проводника при силе тока $$ 1\mathrm{A}$$ за $$ 1\mathrm{c}$$, т. е. $$ 1\mathrm{Кл}=1\mathrm{A}·1\mathrm{c}.$$
За направление электрического тока принимают направление, в котором движутся положительно заряженные носители тока.
Отношение силы `I` тока к площади `S` поперечного сечения проводника называется плотностью тока:
`j=I/S`, (2)
которая равна силе тока в расчёте на единицу площади поперечного сечения.
Пример 6
По проводу течёт постоянный ток. Через произвольное поперечное сечение за время `t=2` мин протёк заряд `q=1,2` Кл. Найдите силу `I` тока в проводе и его плотность `j`. Площадь поперечного сечения проводника `S=0,5 «мм»^2`.
Решение
Силу тока определим по формуле (1):
$$ I={\displaystyle \frac{q}{t}}={\displaystyle \frac{\mathrm{1,2}}{120}}=\mathrm{0,01}\mathrm{A}$$,
плотность тока найдём по формуле (2):
`j=I/S=(0,01)/(0,5*10^(-6))=2*10^4″А»//»м»^2`.
Пример 7
Согласно модели, предложенной Нильсом Бором, в основном состоянии атома водорода электрон движется вокруг покоящегося протона по круговой орбите радиуса `r=0,53*10^(-10)` м со скоростью `v=2,2*10^6` м/с. Какой величине `I` тока эквивалентно движение электрона по орбите? Каково направление этого тока? Элементарный заряд `e=1,6*10^(-19)` Кл.
Решение
В рассматриваемой модели электрон обращается вокруг протона с периодом `T=(2pir)/v`. За `t=1` с электрон пересечёт любую контрольную поверхность, на которой происходит подсчёт переносимого заряда, `nu=1/T` раз. Тогда через эту поверхность за `t=1` с пройдёт заряд `q=e*nu`, т. е. сила эквивалентного тока в соответствии с (1) равна
`I=q/t=enu=ev/(2pir)=1,6*10^(-19) *(2,2*10^6)/(2*3,14*0,53*10^(-10))~~1,06*10^(-3) «А»`.
Поскольку электрон – отрицательно заряженная частица, то направление рассматриваемого тока противоположно направлению движения электронов.
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.
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.
2.1. Виды электропроводности полупроводников.
Принцип работы полупроводниковых приборов связан с тем, что в полупроводниках существует электропроводность двух видов – электронная и дырочная.
Электронная электропроводность обусловлена перемещением в одном направлении свободных электронов. При обычных рабочих температурах в чистых, беспримесных полупроводниках всегда есть электроны, которые очень слабо связаны с ядрами атомов, становятся свободными и совершают беспорядочное, хаотическое, тепловое движение между атомами кристаллической решетки. Эти электроны под действием электрического поля могут начать двигаться в определенном направлении. Такое направленное движение и есть электрический ток.
Дырочная электропроводность является особенностью полупроводников и не наблюдается в металлах, т.е. в проводниковых материалах (проводниках).
В атоме полупроводника под влиянием чаще тепловых или других внешних воздействий один из валентных электронов может покинуть атом и стать свободным (рис.3). Тогда атом приобретает положительный заряд, но по величине равный отрицательному заряду электрона. Такой атом называется положительным ионом, а процесс превращения атома в ион – ионизацией.
В полупроводниках кристаллическая решетка прочна. Её ионы не передвигаются, а остаются на своих местах в узлах кристаллической решетки, т.е. являются неподвижными зарядами.
Отсутствие электрона на орбите атома полупроводника условно назвали дыркой. Этим подчеркивают, что в атоме не хватает одного электрона, т. е. образовалось свободное место – дырка. Дырки [3] ведут себя, как элементарные положительные заряды.
Возникновение дырки можно пояснить с помощью плоскостной модели полупроводника (рис.3). Один из электронов, участвующих в ковалентной связи, получив дополнительную энергию W > ?W, становится электроном проводимости, т. е. свободным носителем заряда. Он может перемещаться между атомами кристаллической решетки, а при движении большого количества таких свободных электронов в одном направлении, они создают электрический ток. Его прежнее место теперь свободно. Это и есть дырка, изображенная на рис.3 светлым кружком.
При дырочной электропроводности под влиянием приложенной разности потенциалов перемещаются дырки, что эквивалентно перемещению положительных зарядов. Такой процесс показан на рис.4, где изображено для различных моментов времени несколько атомов, расположенных вдоль полупроводника.
Пусть в начальный момент времени (рис. 4, а) в крайнем атоме слева (номер 1) появилась дырка, вследствие того что из этого атома ушел электрон, т.е. стал свободным.
Атом с дыркой (он заштрихован) имеет положительный заряд и может притянуть к себе электрон из соседнего атома номер 2.
Если в полупроводнике действует электрическое поле (разность потенциалов), то это поле стремится двигать электроны в направлении от отрицательного потенциала к положительному. Поэтому в следующий момент (рис.4,б) из атома 2 один электрон перейдет в атом 1 и заполнит дырку, а новая дырка образуется в атоме 2. Далее один электрон из атома 3 перейдет в атом 2 и заполнит в нем дырку. Тогда дырка возникнет в атоме 3 Рис. 4 (рис.4, в) и т.д.
Такой процесс будет продолжаться, и дырка перейдет из крайнего левого атома 1 в крайний правый под номером 6. Иначе говоря, первоначально возникший в атоме 1 положительный заряд перейдет в атом 6 (рис.4, е).
Как видно, при дырочной электропроводности в действительности тоже перемещаются электроны, но более ограниченно, т.е. пройденное расстояние меньше, чем при электронной электропроводности, когда электрон может двигаться в кристаллической решетке. Рис. 5
При дырочной электропроводности электроны переходят из данных атомов только в соседние. Результатом этого является перемещение положительных зарядов – дырок в направлении, противоположном движению электронов.
Электропроводность полупроводников может быть также объяснена их энергетической диаграммой (рис.5).
При температуре абсолютный ноль, т.е. Т = 0К = – 273ºС, полупроводник, не содержащий примесей, является диэлектриком, в нем нет электронов и дырок проводимости. Но при повышении температуры Т > 0К электропроводность полупроводника возрастает, так как электроны валентной зоны получают при нагреве дополнительную энергию[4] W = kT и за счет этого некоторое их количество преодолевает запрещенную зону и переходит из валентной зоны в зону проводимости. Этот переход показан на рис.6 сплошной стрелкой.
Ширина запрещенной зоны ?W у полупроводников сравнительно невелика (для германия ?W = 0,72 эВ, а для кремния ?W = 1,12 эВ).
Таким образом, появляются электроны проводимости и возникает электронная электропроводность. Каждый электрон, перешедший в зону проводимости, оставляет в валентной зоне свободное место – дырку, т. е. в валентной зоне возникают дырки проводимости, число которых равно числу электронов, перешедших в зону проводимости. Следовательно, вместе с электронной создается и дырочная электропроводность.
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.
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.
Как направлено электричество (движение)
Движение тока может осуществляться двумя путями. Направление перемещения заряженных частиц связывают с движением электронов, имеющих положительный заряд. Когда ток возникает благодаря отрицательным электронам, тогда направление принимают противоположным их движению. Это характерно для проводников из металла. Но ток может возникать и в жидкости, и газе, в которых частицы свободно передвигаются по любой траектории из-за отсутствия прочной связи между ними. В этом случае носителям тока будут положительные ионы и отрицательные электроны, а электрический ток идет от «плюса» к «минусу».
Вам это будет интересно Особенности использования канифоли
Где применяется электрический ток
Сегодня нет ни одной области, где бы не применялся эл. ток в различных его проявлениях. В основном, широко используется именно переменный ток: электроснабжение, железнодорожное сообщение, освещение, различное сетевое оборудование и др. Постоянный ток применяют в электролизе, сварочных работах, бортовых системах автомобилей, медицине.
Ученые на протяжение нескольких столетий пытались найти ответ на вопрос, почему и как возникает электрический ток. Сегодня жизнь современного общества невозможно представить без него. Залогом успешного применения электричества станет соблюдение основных правил безопасности, связанных с его использованием, так как электричество вместе с пользой, способно нанести вред человеку и его здоровью.
