Электрический ток в металлах.
Металлы относятся к проводникам первого рода. В них при прохождении тока не происходит переноса вещества. Носителями тока в металлах являются свободные электроны, т.е. электроны, слабо связанные с ионами кристаллической решетки металла. Так как электрический ток в металлах образуют свободные электроны, то проводимость металлических проводников называется электронной проводимостью.
Электрический ток в полупроводниках.
К таким же проводникам относятся полупроводники. Полупроводники – это вещества, у которых удельное сопротивление больше, чем у металлов, но меньше, чем у диэлектриков. При низких температурах химически чистый полупроводник является диэлектриком, - он не проводит электрический ток. При высоких температурах за счет энергии нагревателя в полупроводнике возникают свободные носители зарядов – электроны и дырки, которые могут перемещаться по проводнику под действием электрического поля. При этом дырки ведут себя как положительные заряды. Проводимость химически чистых полупроводников называется электронно-дырочной проводимостью. С повышением температуры сопротивление полупроводника уменьшается из-за увеличения числа электронов и дырок. В этом и состоит основное отличие полупроводников от металлов, у которых при нагревании сопротивление увеличивается.
Примесной проводимостью называют проводимость полупроводника с примесью, имеющей иную валентность, чем основной полупроводник. Если валентность примеси больше валентности основного полупроводника, то проводимость донорная или проводимость n –типа. При донорной проводимости носителями зарядов являются свободные электроны. Если валентность примеси меньше валентности основного полупроводника, то проводимость акцепторная или проводимость р – типа. При акцепторной проводимости носителями зарядов являются дырки.
К проводникам второго рода, в которых при прохождении тока переносится вещество, относятся электролиты и газы.
Электрический ток в жидкостях.
Жидкости по степени электропроводности делятся на:
диэлектрики (например, дистиллированная вода);
проводники (электролиты);
полупроводники (расплавы некоторых солей).
Электролитами называются водные растворы солей, кислот и оснований, а также их расплавы.
При протекании электрического тока через растворы электролитов вместе с зарядом всегда переносится вещество.
Электролиз – то явление выделения вещества на электродах при прохождении через электролит электрического тока.
Массу выделившегося на электроде вещества определяет закон Фарадея для электролиза:
m=kq=kIt.
Электрический ток в газах
Газы в нормальных условиях являются диэлектриками. Носители электрического тока в газах возникают только в результате ионизации.
Есть два основных способа ионизации в газах:
Термическая ионизация — придание атомам достаточной кинетической энергии для отрыва электрона от ядра и последующей ионизации вследствие повышения температуры газа и интенсификации за счет этого теплового движения атомов газа, приводящее к ионизации за счет кинетической энергии атомов. Температуры, необходимые для ионизации газов, очень высоки (например, для водорода этот показатель составляет 6 000 К). Этот тип ионизации газов распространен преимущественно в природе.
Ионизация электрическим ударом — при низкой температуре газ также может проводить ток, если напряженность электрического поля, в котором находится газ, превышает некоторое пороговое значение. Пороговое значение в данном случае — достижение электроном под действием электрического поля достаточной кинетической энергии, необходимо для ионизации атома. Для совершения работы ионизации носители тока должны приобрести кинетическую энергию, необходимую для совершения работы ионизации, пройдя определенную ускоряющую разность потенциалов. Вероятность ионизации нейтрального атома электроном намного выше, чем ионом, так как масса электрона много меньше массы атома, а масса иона сравнима с ней.
Фотоионизация — ионизация светом за сет энергии электромагнитной волны.
Ионизация излучением - ионизация УФ, рентгеновским, радиоактивными излучениями.
Газовый разряд — прохождение электрического тока через газы.
Несамостоятельный газовый разряд — явление прохождения электрического тока через газ при условии внешнего ионизирующего воздействия (ультрафиолетовое, рентгеновское и радиоактивное излучения, сильный нагрев).
Электрический разряд в газе, сохраняющийся после прекращения действия внешнего ионизатора, называется самостоятельным газовым разрядом. Для его осуществления необходимо, чтобы в результате самого разряда в газе непрерывно образовывались свободные заряды. Основным источником их возникновения является ударная ионизация молекул газа.
Типы самостоятельного разряда.
1. Тлеющий разряд.
Возникает при низких давлениях.
2. Дуговой разряд. Возникает:
а) если после зажигания искрового разряда от мощного источника постепенно уменьшать расстояние между электродами;
б) если электроды сблизить до соприкосновения (минуя стадию искры), после чего их развести.
3. Коронный разряд.
Возникает при высоком давлении в резко неоднородном поле вблизи электродов с большой кривизной поверхности (например, около острия).
4. Искровой разряд.
Возникает при больших напряженностях электрического поля в газе, находящемся под давлением порядка атмосферного (молния, пробой диэлектрика).
Понятие о плазме
Плазма — четвертое состояние вещества; это газ, в котором значительная часть молекул или атомов ионизированы. В плазме концентрация положительных и отрицательных зарядов практически одинакова, т. е. плазма электрически нейтральна.
Газоразрядная плазма возникает при газовых разрядах.
Высокотемпературная плазма возникает при сверхвысоких температурах.
Ток в вакууме.
Вакуум - это такая степень разрежения газа, при которой соударений молекул практически нет. Поэтому электрический ток невозможен, т.к. возможное кол-во ионизирующих молекул не может обеспечить электропроводимость. Создать ток в вакууме можно, если использовать источник заряженных частиц.
Действие источника заряженных частиц может быть основано на явлении термоэлектронной эмиссии.
Термоэлектронная эмиссия - это испускание электронов нагретыми телами (эмиттерами) в вакуум или другую среду. Нагретый металлический электрод непрерывно испускает электроны, образуя вокруг себя электронное облако. Чем выше температура металла, тем выше плотность электронного облака.
Так же существуют типы эмиссии:
• Электростатическая или Автоэлектронная эмиссия
Обусловлена наличием у поверхности тела сильного электрического поля. Дополнительная энергия электронам твёрдого тела при этом не сообщается, но за счёт изменения формы потенциального барьера они приобретают способность выходить в вакуум.
• Фотоэлектронная эмиссия
Это эмиссия электронов из вещества под действием падающего на его поверхность излучения.
• Вторичная электронная эмиссия
Испускание электронов поверхностью твёрдого тела при её бомбардировке электронами.
• Ионно-электронная эмиссия
Испускание электронов металлом при его бомбардировке ионами.
• Криогенная электронная эмиссия
Испускания электронов ультрахолодными, охлаждёнными до криогенных температур поверхностями. (Мало изученное явление).