ЕЛЕКТРОРУШІЙНА СИЛА. ЗАКОН ОМА ДЛЯ ПОВНОГО КОЛА

ЕЛЕКТРОДИНАМІКИ

Розділ 1 Електричне поле і струм

§ 8. ЕЛЕКТРИЧНИЙ СТРУМ У РІЗНИХ СЕРЕДОВИЩАХ

Провідниками електричного струму можуть бути різні речовини: метали, розчини електролітів і за певних умов гази та вакуум. Широкого застосування останнім часом набули речовини, які називають напівпровідниками. Для створення струму в якомусь середовищі потрібна наявність у ньому заряджених частинок, здатних переміщатися під дією електричного поля. Цими частинками можуть бути і електрони, і йони. З’ясувати природу струму – означає

встановити, які саме заряджені частинки переносять заряд у даному середовищі.

Розглянемо металеві провідники. Носіями вільних зарядів у металах є електрони, концентрація яких велика – порядку 1028 у кубічному метрі. Ці електрони беруть участь у хаотичному тепловому русі. Під впливом же електричного поля вони починають переміщатися впорядковано із середньою швидкістю приблизно 0,5 мм/с. А швидкість поширення електричного поля всередині металевого провідника наближається до 300 000 км/с. Саме цю швидкість

і пов’язують з поширенням електричного струму в металах. Провідність металів зумовлена рухом вільних електронів. Це експериментально довели Л. І. Мандельштам і М. Д. Папалексі в 1913 р., потім Б. Стюарт і Р. Толмен у 1916 р.

Під час руху в провіднику електрони провідності зазнають зіткнень з йонами кристалічної гратки і при цьому втрачають частину енергії, набутої в електричному полі. Такі зіткнення і зумовлюють опір провідника. З підвищенням температури провідника зростає середня швидкість теплового руху електронів і збільшується амплітуда коливань йонів у вузлах гратки. Це приводить до збільшення кількості зіткнень електронів з йонами. Таким чином, опір металів залежить від температури.

У 1911 р. голландський фізик Г. Камерлінг-Оннес відкрив надзвичайне явище – надпровідність. Він виявив, що під час охолодження ртуті в рідкому гелії її опір спочатку змінюється поступово, а потім, з досягненням температури 4,1 К, різко спадає до нуля. Явище зменшення опору до нуля при температурі, відмінній від абсолютного нуля, назвали надпровідністю. Згодом надпровідність було виявлено у багатьох інших металах. Метали, які мають властивість надпровідності, практично не нагріваються при проходженні через них струму, а це дає можливість передавати енергію без втрат.

Рідини, як і тверді тіла, можуть бути як діелектриками, так і провідниками. До діелектриків належить, наприклад, дистильована вода, до провідників – розчини електролітів: кислот, лугів і солей.

У курсі неорганічної хімії пояснюється, чому водні розчини електролітів проводять електричний струм. При розчиненні електролітів під впливом електричного поля полярних молекул води відбувається розпад молекул електролітів на йони. Цей процес називається електролітичною дисоціацією.

Ступінь дисоціації характеризується часткою молекул розчиненої речовини, що розпадаються на йони, і залежить від температури, концентрації розчину й діелектричної проникності розчинника. З підвищенням температури ступінь дисоціації зростає і, отже, збільшується концентрація позитивно і негативно заряджених йонів. Носіями заряду у водних розчинах і розплавах електролітів є позитивно і негативно заряджені йони.

Якщо посудину з розчином електроліту ввімкнути в електричне коло, то негативно заряджені йони почнуть рухатися до додатного електрода – анода, а позитивно заряджені – до від’ємного – катода. Внаслідок цього з’явиться електричний струм. Оскільки заряди у водних розчинах і розплавах електролітів переносяться йонами, то таку провідність називають йонною.

При йонній провідності проходження струму зв’язане з перенесенням речовини. На електродах виділяються речовини, що входять до складу електролітів. На аноді негативно заряджені йони віддають свої зайві електрони (у хімії це називається окиснювальною реакцією), а на катоді позитивно заряджені йони одержують електрони, яких не вистачає (відновна реакція). Процес виділення на електродах речовин, пов’язаний з окиснювально-відновними реакціями, називають електролізом.

Електроліз широко застосовують з різною метою у техніці. За допомогою електролітичного способу покривають поверхні одного металу тонким шаром іншого (нікелювання, хромування, оміднення і т. д.). Це надійне покриття захищає поверхню металів від корозії.

Рідини можуть мати й електронну провідність, наприклад, рідкі метали.

Гази за нормальних умов (коли немає йонізатора) є ізоляторами і стають провідниками електричного струму тільки внаслідок зовнішньої дії. Електропровідність газу можна змінити, опромінюючи його ультрафіолетовими, рентгенівськими або радіоактивними променями, нагріваючи його тощо.

За нормальних умов гази на відміну від металів і електролітів не містять вільних носіїв струму, ні електронів, ні йонів, оскільки вони складаються з електрично нейтральних атомів і молекул. Внаслідок зовнішніх дій газ йонізується, тобто від атомів і молекул відриваються електрони. Йонізація, у свою чергу, спричиняє виникнення позитивних йонів і електронів. Якщо ж який-небудь нейтральний атом газу зможе приєднати до себе електрон, то виникне негативний йон. Отже, під час йонізації атома газу має бути виконана робота з йонізації, яка визначається силою взаємодії між електроном, що відривається, та йоном, що при цьому утворюється. Значення цієї роботи залежить від хімічної природи газу. Якщо атом втрачає два електрони, то вони стають двократно йонізованими і перетворюються у двовалентний йон.

Разом з процесом йонізації в газі відбувається процес рекомбінації – перетворення йонів у нейтральні атоми або молекули. Якщо зовнішній йоні – затор припиняє дію, то провідність газу зменшується і він уже не може бути провідником. Якщо потужність йонізатора з часом не змінюється, то між процесами йонізації і рекомбінації встановлюється динамічна рівновага, за якої кількість пар заряджених частинок, що утворюються, дорівнює в середньому кількості пар йонів, які зникають внаслідок рекомбінації.

Процес проходження струму через газ називають газовим розрядом. Струм у газі, який виникає під дією зовнішнього йонізатора, називається несамостійним газовим розрядом.

За певних умов у газах можливе збудження великої провідності внаслідок дії електричного поля. У цьому випадку ми маємо явище самостійного розряду і самостійну провідність.

Самостійним називають розряд у газах, який зберігається й після припинення дії.

Під час будь-якого самостійного розряду відбувається йонізація газу електронними ударами, однак наявність йонізації внаслідок електронного удару ще не веде до самостійного розряду. Дійсно, якщо усунути зовнішній йонізатор, то всі йони врешті-решт будуть нейтралізовані на електродах і розряд припиниться. Для самостійного розряду, треба, щоб і позитивні йони набували в електричному полі достатньої енергії для вибивання вільних електронів з молекул або з катода. Залежно від стану газу (температури і тиску), від напруги, форми й розмірів електродів самостійні газові розряди можуть відрізнятися один від одного як за зовнішнім виглядом, так і за характером фізичних процесів, які зумовлюють їх виникнення й проходження.

Серед самостійних розрядів виділяють такі: тліючий розряд, електрична дуга, коронний розряд та іскровий розряд.




ЕЛЕКТРОРУШІЙНА СИЛА. ЗАКОН ОМА ДЛЯ ПОВНОГО КОЛА