Электрический ток в металлах, вакууме, жидкостях, газах, полупроводниках

Электрический ток в различных средах

Электрический ток в металлах

• Носители заряда: свободные электроны.
• В металлах атомы образуют кристаллическую решётку, а их валентные электроны отрываются и свободно перемещаются по всему объёму, образуя "электронный газ".
• Под действием внешнего электрического поля $(E)$ на электроны действует сила, вызывая их упорядоченное движение со средней скоростью $(v_{\text{др}})$. Это и есть электрический ток.
• Зависимость сопротивления от температуры: Сопротивление металлов увеличивается с ростом температуры. Усиление тепловых колебаний ионов решётки увеличивает вероятность столкновения электронов с ними, что затрудняет их движение.
• Формула зависимости: $R(T) = R_0[1+\alpha(T-T_0)]$ где $R_0$ — сопротивление при температуре $T_0$, $\alpha$ — температурный коэффициент сопротивления.

Электрический ток в жидкостях (электролитах)

• Носители заряда: положительные и отрицательные ионы.
• В электролитах (растворах или расплавах солей, кислот, щелочей) молекулы распадаются на ионы в процессе электролитической диссоциации.
• При приложении напряжения положительные ионы (катионы) движутся к катоду, а отрицательные (анионы) — к аноду. Этот процесс, сопровождающийся выделением веществ на электродах, называется электролизом.
• Законы электролиза Фарадея:
• Масса вещества $(m)$, выделившегося на электроде, прямо пропорциональна прошедшему через электролит заряду $(q)$ : $m = k\cdot q = k\cdot I\cdot t$
• Электрохимический эквивалент $(k)$ зависит от молярной массы $(M)$ и валентности $(\text{val})$ вещества: $k = \frac{M}{F\cdot\text{val}}$ где $F \approx 96485 \text{ Кл}/\text{моль}$ — число Фарадея.
• Зависимость сопротивления от температуры: Сопротивление электролитов уменьшается с ростом температуры из-за увеличения степени диссоциации и подвижности ионов.

Электрический ток в газах

• Носители заряда: электроны, положительные и отрицательные ионы.
• Газы в нормальном состоянии — диэлектрики. Носители заряда создаются искусственно путём ионизации (например, нагревом или излучением).
• Виды газового разряда:
• Несамостоятельный: поддерживается только внешним ионизатором.
• Самостоятельный: поддерживается самим током, так как носители заряда образуются в результате ударной ионизации.

Электрический ток в вакууме

• Носители заряда: электроны.
• В вакууме нет свободных носителей. Их вводят извне, как правило, с помощью термоэлектронной эмиссии — испускания электронов нагретым катодом.
• Эти электроны ускоряются электрическим полем и образуют электронный ток.

Электрический ток в полупроводниках

• Носители заряда: электроны и дырки.
• Дырка — это вакантное место в ковалентной связи, которое ведёт себя как положительный заряд.
• Типы проводимости:
• Собственная: создаётся тепловой ионизацией, образующей пары "электрон-дырка".
• Примесная: создаётся легированием (добавлением примесей).
• N-тип: примеси с "лишними" электронами (доноры). Основные носители — электроны.
• P-тип: примеси с недостатком электронов (акцепторы). Основные носители — дырки.
• Зависимость сопротивления от температуры: Сопротивление полупроводников уменьшается с ростом температуры, так как увеличивается количество свободных носителей.