Электрический ток появляется там, где есть свободные носители электрического заряда и электрическое поле, которое заставляет их двигаться упорядоченно.
Свободные носители заряда - заряженные частицы, которые могут перемещаться внутри вещества или среды.
Главная идея этого пункта: в разных средах ток создают разные частицы.
| Среда | Свободные носители заряда | Как возникает ток |
|---|---|---|
| Металлы | Свободные электроны | Электроны движутся упорядоченно под действием электрического поля |
| Растворы и расплавы электролитов | Положительные и отрицательные ионы | Ионы движутся к электродам противоположного знака |
| Газы | Электроны, положительные и отрицательные ионы | Сначала газ нужно ионизировать, чтобы появились свободные заряды |
| Полупроводники | Электроны и дырки | Число носителей зависит от температуры, освещения и примесей |
Металлы
В металлах свободными носителями заряда являются электроны проводимости.
Атомы металла образуют кристаллическую решётку. Часть внешних электронов слабо связана с отдельными атомами и может перемещаться по всему металлу. Поэтому металл хорошо проводит ток.
Если электрического поля нет, свободные электроны движутся хаотически. Когда к концам проводника прикладывают напряжение, на это хаотическое движение накладывается упорядоченное движение. Оно и создаёт электрический ток.
Важно
В металлах ток связан с движением электронов, а не с переносом вещества. Ионы кристаллической решётки остаются около своих положений равновесия.
При прохождении тока электроны сталкиваются с ионами решётки и передают им часть энергии. Поэтому металлический проводник может нагреваться. С этим связаны закон Джоуля-Ленца и тепловое действие тока.
Электролиты
Электролиты - растворы или расплавы веществ, в которых ток создаётся движением ионов.
Например, чистая вода проводит ток плохо, но раствор соли может проводить ток, потому что в нём появляются ионы. Молекулы растворённого вещества распадаются на положительные и отрицательные ионы. Такой процесс называют электролитической диссоциацией.
В электрическом поле:
- положительные ионы движутся к отрицательному электроду;
- отрицательные ионы движутся к положительному электроду.
Так возникает ионная проводимость.
В отличие от металлов, ток в электролитах сопровождается переносом вещества: сами ионы являются частицами вещества и приходят к электродам.
Газы
При обычных условиях газы почти не содержат свободных заряженных частиц, поэтому являются плохими проводниками.
Чтобы газ начал проводить ток, в нём должны появиться свободные заряды. Для этого нейтральные атомы или молекулы газа нужно ионизировать.
Ионизация - образование заряженных частиц из нейтральных атомов или молекул.
В газе носителями тока могут быть:
- электроны;
- положительные ионы;
- отрицательные ионы.
Ионизация может происходить при сильном нагревании, под действием излучения или в сильном электрическом поле.
Если ток в газе идёт только пока действует внешний ионизатор, такой разряд называют несамостоятельным. Если поле достаточно сильное и новые заряженные частицы создаются уже внутри самого газа, возникает самостоятельный разряд. Пример самостоятельного разряда - искра или молния.
Полупроводники
Полупроводники - вещества, проводимость которых занимает промежуточное положение между проводниками и диэлектриками.
К полупроводникам относятся, например, кремний и германий. Их особенность в том, что проводимость сильно зависит от условий:
- при нагревании проводимость обычно увеличивается;
- при освещении проводимость может увеличиваться;
- небольшое количество примесей может резко изменить проводимость.
В чистом полупроводнике при разрыве ковалентной связи появляется пара носителей:
- свободный электрон;
- дырка.
Дырка - свободное место в ковалентной связи, которое ведёт себя как положительный носитель заряда.
Свободные электроны движутся против направления вектора напряжённости электрического поля, а дырки - по направлению поля. Поэтому в полупроводнике возможны два вида проводимости:
- электронная проводимость, или проводимость -типа;
- дырочная проводимость, или проводимость -типа.
Примесная проводимость
Проводимость полупроводника можно изменить, добавив примеси.
Если примесь даёт полупроводнику лишние свободные электроны, основные носители заряда - электроны. Получается полупроводник -типа.
Если примесь создаёт много дырок, основные носители заряда - дырки. Получается полупроводник -типа.
Это важно не только для понимания проводимости, но и для работы полупроводниковых приборов.
Полупроводниковый диод
Полупроводниковый диод - прибор на основе контакта областей -типа и -типа, который хорошо проводит ток в одном направлении и плохо проводит в противоположном.
Контакт областей - и -типа называют --переходом.
Если диод включён в прямом направлении, основные носители заряда проходят через переход, и ток идёт.
Если диод включён в обратном направлении, переход запирается, и ток почти не идёт.
Именно поэтому диод называют прибором с односторонней проводимостью.
Не путать
- В металлах ток создают свободные электроны, но вещество вдоль проводника не переносится.
- В электролитах ток создают ионы, поэтому ток связан с переносом вещества.
- В газах ток возможен только при наличии ионизации.
- В полупроводниках важны не только электроны, но и дырки.
- Диод - не просто проводник, а полупроводниковый прибор с односторонней проводимостью.
Коротко
Свободные носители заряда зависят от среды:
- металл - электроны;
- электролит - положительные и отрицательные ионы;
- газ - электроны и ионы после ионизации;
- полупроводник - электроны и дырки.
Чтобы возник постоянный ток, нужны свободные носители заряда, электрическое поле и замкнутая цепь. Эти условия связаны с условиями существования электрического тока.