И электропроводность вещества

Электрический ток. В веществе, помещенном в электрическое поле, под действием сил поля возникает процесс движения эле­ментарных носителей электричества — электронов или ионов. Дви­жение этих электрически заряженных частиц материи называют электрическим током.

За единицу силы тока принят ампер (А). Это такой ток, при кото­ром через поперечное сечение проводника каждую секунду проходит количество электричества, равное 1 Кл. Силу тока иногда измеряют тысячными долями ампера — миллиамперами (мА) или миллион­ными долями ампера — микроамперами (мкА), а при больших зна­чениях— тысячами ампер — килоамперами (кА), в формулах ток обозначают буквой / (/).

В электротехнике широко применяют как постоянный, так и пе­ременный ток. Постоянным называют ток, значение и направление которого в любой момент времени остаются неизменными (рис. 9, а). Токи, значение и направление которых не остаются постоянными, называют изменяющимися, или переменными. Чаще всего в электро­технических устройствах используют ток, изменяющийся по сину­соидальному закону, который получают от генераторов перемен­ного тока и трансформаторов (рис. 9, б). От выпрямителей полу­чают пульсирующий ток (рис. 9, в), неизменный по направлению, но меняющийся по величине.

Электропроводность. Свойство вещества проводить электричес­кий ток под действием электрического поля называют электропро­водностью. Электропроводность различных веществ зависит от концентрации свободных (т. е. не связанных с атомами, молекулами или кристаллической структурой) электрически заряженных частиц. Чем больше концентрация этих частиц, тем больше электропро­водность данного вещества. Все вещества в зависимости от электро­проводности делят на три группы: проводники, диэлектрики (изолирующие материалы) и полупроводники.

Проводники обладают очень высокой электропроводностью. Существуют два рода проводников, которые различаются физической природой протекания электрического тока. К проводникам первого рода относятся металлы. Прохождение по ним тока обусловлено движением свободных электронов, вследствие чего их называют проводниками с электронной проводимостью. Проводниками вто­рого рода являются растворы кислот, щелочей и солей (в основном водные), называемые электролитами. Прохождение тока через электролиты связано с движением электрически заряженных частей молекул — положительных и отрицательных ионов, т. е. электро­литы являются проводниками с ионной проводимостью.

Имеются также вещества со смешанной проводимостью, в ко­торых ток переносится электронами и ионами. К ним относятся, например, газы и пары в ионизированном состоянии.

Физическая природа электропроводности ме­таллов. Высокая электропроводность металлов хорошо объясня­ется на основе электронной теории. Согласно этой теории валент­ные электроны сравнительно слабо связаны с их ядрами. Поэтому они свободно перемещаются между атомами, переходя из сферы действия одного атома в сферу действия другого и заполняя про­странство между ними наподобие газа. Эти электроны принято называть свободными.

Свободные электроны / находятся в состоянии беспорядочного движения (рис. 10, а). Однако если внести металлический провод­ник в электрическое поле, то свободные электроны под действием сил поля начнут перемещаться в сторону положительного полюса (рис. 10, б), создавая электрический ток. Таким образом, электри­ческим током в металлических проводниках называется упорядочен­ное (направленное) движение свободных электронов.

Металлоиды имеют на внешней оболочке большое количество электронов и они прочно удерживаются около своих ядер. Поэтому металлоиды, как правило, являются диэлектриками.

Скорость прохождения тока. Электрическое поле распростра­няется в пространстве с огромной скоростью — 300 000 км/с, т. е. со скоростью света. С такой же скоростью проходит и электрический ток в проводнике. Однако каждый отдельный электрон движется в среднем по проводнику со скоростью несколько миллиметров или сантиметров в секунду (эта скорость зависит от напряженности электрического поля).

Чем же объяснить такую скорость распространения электри­ческого тока? Причина в том, что каждый электрон находится в об­щем электронном потоке, заполняющем проводник, и при прохож­дении электрического тока испытывает непрерывное воздействие со стороны соседних электронов. Поэтому, хотя сам электрон дви­жется медленно, скорость передачи движения от одного электро­на к другому (скорость распространения электрической энергии) будет огромна. Например, при включении рубильника на электро­станции практически мгновенно появляется ток в каждом участке электрической цепи целого города, несмотря на незначительную скорость движения электронов.