Токи в различных средах

3 класса веществ:
Проводники – проводят ток очень хорошо
(все металлы, вода, электролиты)
Полупроводники – проводят ток при определенных условиях (кремний, германий)
Диэлектрики (изоляторы) – не проводят ток
(дерево, пластик, воздух)

Проводники
Прохождение тока в металлах не связано с переносом вещества (атомов и молекул)
1901 г. – опыт Рикке:
Через контакт двух различных металлов в течение многих месяцев пропускался постоянный электрический ток
Вещество по различные стороны границы раздела имеет тот же состав, что и до пропускания тока
Какова природа носителей тока в металлах?

Теория Друде-Лоренца –
классическая теория электропроводности металлов
При образовании металла каждый атом отдает минимум по одному электрону
Такие электроны являются свободными и формируют электронный газ
Металл состоит из ионов (+), образующих кристаллическую решётку и свободных электронов (-)

Образование тока в металлах
В отсутствие поля электроны в металле двигаются хаотично (тепловое движение)
При наложении поля электроны начинают двигаться упорядоченно (дрейф)

Природа электрического сопротивления
Электроны сталкиваются с ионами кристаллической решетки, что замедляет их движение
Это называется рассеяние свободных электронов на тепловых колебаниях решётки
С ↑ Т металла амплитуда тепловых колебаний
ионов ↑, и R тоже ↑

Сверхпроводимость
Явление, при котором у некоторых металлов при низких температурах R скачкообразно падает до нуля
В 1911 г. Hg (Ткр = 4,2 К)
Al, Zn, W, Sn, сплавы
Объяснили только в 1957 г. в рамках квантовой механики
Применение:
ячейки памяти
передача энергии (дорого)
медицинские технологии
транспорт на магнитной подушке (Япония)
очистка воды
ветрогенераторы

Полупроводники
Это кристаллы, состоящие из нейтральных атомов, которые связаны друг с другом ковалентными связями
(Ge, Si, арсенид галлия GaAs, закись меди Cu2O)
Собственные полупроводники - без примесей, при этом концентрация электронов и дырок одинакова

Примесные полупроводники
Донорная примесь: 5-и валентный мышьяк As (электронный полупроводник: n-тип)
Акцепторная примесь: 3-х валентный индий In (дырочный полупроводник: p-тип)

Токи в газах
Газы – диэлектрики и в обычном состоянии ток не проводят
Но при определенных условиях можно добиться появления в газах свободных носителей зарядов – электронов и ионов
Такой процесс называется ионизация
Ионизация газа может привести к возникновения в нем газового разряда

Виды газовых разрядов
Тлеющий разряд – возникает в газоразрядной трубке при низких давлениях (0,1 – 0,01 мм. рт. ст.) и малых токах
Используется в лампах дневного света, для освещения и рекламы

Напряженность пробоя воздуха Евозд = 3⋅106 В/м молния
Виды газовых разрядов
Искровой разряд – при давлениях порядка атмосферного в сильных электрических полях близких к однородным
Искра - пучок ярких, часто разветвлённых каналов, по которым распространяется ток

Применение:
дуговые плавильные печи
прожекторы
электросварка
Виды газовых разрядов
Дуговой разряд – возникает из искрового разряда при поддержании постоянного напряжения между электродами
Высокая температура дуги: 103 – 104 К

Виды газовых разрядов
Коронный разряд – в сильно неоднородном электрическом поле (острия, тонкие провода)
Наблюдается: возле проводов высоковольтных линий электропередач, верхушек деревьев, корабельных мачт и др.
Применение: очистка газов от пыли и загрязнений,
диагностика состояния конструкций, в ксероксах и лазерных принтерах