Вільні носії електричних зарядів і електропровідність речовин
Постійний електричний струм виникає, якщо є електричне поле (різниця потенціалів) і вільні носії зарядів: позитивні і негативні частинки або квазічастинки. Атом не може бути вільним носієм заряду, він електрично нейтральний; але якщо електрон або кілька електронів покинуть свої орбіти, з'являються негативні і позитивні носії заряду. Щоб відірвати електрон від атома, потрібно докласти енергію; це може бути теплова, електрична, механічна енергія, хімічна реакція.
Будова атома впливає на електропровідність речовини
Атом - це масивне позитивне ядро і електронна хмара. За законами мікросвіту, електронне хмара атома не може бути однорідним і хаотичним. Воно розділене на так звані оболонки, де строго дотримується ієрархія квантових станів.
Властивості атома залежать від того, скільки електронів є на зовнішній оболонці. Повністю заповнена зовнішня електронна оболонка у інертних газів. У нормальних умовах вони не проводять струм. Але якщо створити особливі умови (знижений тиск, висока електрична напруга), атоми втрачають електрони, і виникає електричний струм.
Атоми металів мають на зовнішній оболонці від одного до трьох електронів, і ці зовнішні електрони всередині кристалічної решітки металу легко «злітають» зі своїх орбіт і утворюють «електронний газ», що забезпечує хорошу електропровідність металів.
Для виникнення електричного струму в металі не треба ніяких додаткових умов: електронний газ реагує на найменший електрична напруга, що вимірюється мілівольтах, мікровольт. Притому метали придатні і для передачі великих струмів і напруг.
Елементи, які мають більше трьох електронів на зовнішній оболонці, відносяться до неметалів, причому наявність чотирьох електронів надає елементам особливий перехідний статус. Вони проводять струм, але значно слабше, ніж метали, і механізм провідності і них відрізняється від «металевого».
Неметали, що мають п'ять і більше електронів на зовнішній оболонці, утворюють групу діелектриків. Їх провідність в нормальних умовах, при невеликих напругах дуже мала. Серед них є речовини, з яких роблять надійні ізолятори. Однак для кожного ізолятора вказують електричну міцність: максимальна напруга, яке він може витримати. Перевищення цієї напруги веде до пробою ізолятора: електрони зриваються з орбіт, атоми руйнуються, і в діелектрику з'являється канал мають високу електропровідність.
Електрони, протони, іони
Частинки, що несуть негативний заряд - це електрони. Позитивний заряд мають протони. Заряди електронів і протонів протилежні за знаком, але в точності рівні по величині. А ось по масі ці частинки сильно розрізняються: протони важче електронів в 1800 разів.
Рухливі, верткі електрони є вільними носіями заряду в багатьох речовинах: металах, напівпровідниках, в газоподібних середовищах.
Протони, як окремі частинки, є вільними носіями заряду тільки в високотемпературної плазмі. У звичних нам умовах позитивно заряджені носії вільного заряду існують у вигляді іонів. Іон - це атом або група атомів, у яких менше електронів в електронному хмарі, ніж протонів в ядрах.
Іони можуть бути вільними носіями заряду в рідких і газоподібних середовищах. У твердому тілі іонізовані атоми міцно утримуються кристалічною решіткою.
Провідність металів: електронний газ
Кристалічна решітка металу створює внутрішні сили, що сприяють тому, щоб електрони із зовнішніх оболонок покидали «своє» ядро. Для їх переходу у вільний стан, перехід в зону провідності, не потрібно додаткових зусиль.
Якщо до металевого предмету прикласти електричне поле - потече струм. Електричний струм - це сумарний електричний заряд, що проходить через перетин провідного тіла за секунду.
Електрони приходять в рух по всій довжині провідника, виміряні значення струму однакові в будь-якому перетині.
Відзначимо, що струм миттєво виникає у всьому провіднику завдяки поширенню електричного поля, але вільні носії заряду, електрони, просуваються дуже повільно.
При малих напругах вони ледве бредуть, наштовхуючись на ядра атомів, їх тепловий рух набагато інтенсивніше, ніж впорядковане переміщення до позитивного електрода.
Якщо метал нагрівати, ток зменшиться. Це тому що тепловий рух самих електронів і кристалічної решітки уповільнює впорядкований рух електронів, іншими словами, при підвищенні температури електричний опір метал збільшується, а його провідність зменшується.
Електричний струм підвищує температуру металу, з цим пов'язаний початковий стрибок струму в провіднику і подальше його зниження. Холодний метал має невеликий опір і пропускає значний струм; але цей струм нагріває метал, опір зростає, струм зменшується.
Електричний струм в напівпровідниках
Речовини зі слабкою провідністю, є поганими провідниками і поганими ізоляторами, набули особливого значення в еру електроніки. Такі речовини назвали напівпровідниками. У них велика електричний опір, при подачі напруги виникає малий струм. При підвищенні температури цей струм зростає, оскільки при нагріванні кристалічної решітки електрони легше залишають свої орбіти.
Струм в газорозрядних лампах
Атоми інертних газів міцні, не схильні вступати в хімічну реакцію і віддавати електрони. Але під впливом електричного поля електронну хмару деформується, витягується ... і деякі електрони злітають з орбіт.
Якби провідність інертних газів визначалася тільки цими електронами, що злетілися з орбіт під дією електричного поля, то газорозрядні лампи не світилися б при порівняно невеликих електричній напрузі. Але електронів провідності в аргонових, неонових, гелієвих лампах значно більше!
Електрони, що отримали свободу, розганяються під дією електричного поля і налітають на нейтральні атоми, при цьому нерідко відбувається «вибивання» нових електронів з орбіти.
Ці нові електрони теж розганяються і сприяють іонізації нових атомів. Процес набуває характеру лавини, ток практично миттєво зростає.
У газорозрядної лампи є і негативні носії заряду (це електрони), і позитивні (іонізовані атоми). Іони рухаються до негативного електроду і нейтралізуються, отримуючи бракуючі електрони; електрони летять до позитивного електрода.
Лавиноподібне зростання числа вільних електронів відбувається і в повітрі під час грозового розряду.
Електричний струм в рідинах. Електроліз.
Рідини бувають проводять електричний струм і непровідні. Машинне масло не має електропровідності, не проводять струм бензин і гас. А ось вода - непоганий провідник електричного струму, і чим більше в ній розчинено солей, тим менше її опір.
Дистильована вода має невелику кількість вільних зарядів, оскільки мала частка молекул води знаходяться в «розібраному стані»: позитивно заряджений іон водню (фактично, просто протон), і негативно заряджена група з атомів водню і кисню, що має на орбіті «зайвий» електрон.
Якщо в посудину з водою занурити електроди, то почнеться виділення бульбашок газу. Це відбувається так: іони водню переміщаються до негативного електроду, там протон отримує електрон для своєї оболонки, з'являється повноцінний атом, який возз'єднується з іншим атомом водню, утворюючи молекулу. Газоподібний водень виділяється з води.
Групи (ОН) - іонізована пара атомів кисню і водню - рухаються до позитивного електрода. Там вони втрачають зайвий електрон, і або захоплюють у іншої групи атом водню і перетворюються в молекулу води, або розпадаються - водень доповнює іншу молекулу води, а атом кисню возз'єднується з іншим таким же і спливає наверх. Так при електролізі води виходять кисень і водень.
Чистий, дистильована вода слабо проводить струм. Але якщо в ній розчинена звичайна кухонна сіль, провідність зростає в кілька разів. Молекули солі у водному розчині розпадаються на іони: позитивний натрій і негативний хлор. Проходження струму супроводжується виділенням чистого натрію на негативному електроді, і отруйного газу хлору - на позитивних пластинах.
Електроліз грає велику роль в промисловості: його застосовують для покриття предметів металевою плівкою, для отримання чистих металів. Але це шкідливе виробництво, воно впливає на здоров'я робітників і на стан навколишнього природи. Останнім часом його витісняють інші технології, більш досконалі.