Электрический ток в средах

Металлы и их сплавы. Твердый графит

Прежде всего следует отметить металлы и их сплавы, в которых с избытком присутствуют свободные носители зарядов — электроны. Также сюда можно отнести такое вещество как графит, углерод в твердом кристаллизованном виде. Такие вещества называются проводниками и их используют для создания электрических цепей, а также в качестве нагревательных элементов. Обычная лампа накаливания, которая применяется для освещения, является отличным примером тока в металле. Существуют очень миниатюрные проводники, например, в сотовых телефонах. В них также существует ток в металлах. В проводниках электрический ток называют током проводимости.

Что называют электрическим током?

Определение тока сводится к явлению упорядоченного движения частиц, несущих на себе определённый заряд. Электричество – это организованное перемещение заряженных частиц, которое появляется под влиянием электрического поля. Если вещество – проводник, то такими частицами являются электроны, у электролитов – это положительно и отрицательно заряженные частицы (катионы и анионы), у полупроводников – это «дырки». Последние представляют собой квазичастицы, несущие положительный заряд, который равен элементарному, характерному для проводников.

Направление частиц

Важно! В природе также существует ток смещения, действие которого обусловлено изменением разности потенциалов. Он носит переменный характер, действует из-за электрополяризации частиц среды, без смещения заряда за их границы.

Для возникновения электричества в цепи обязательно соблюдение главного условия – наличия замкнутого контура. Если цепь имеет разрыв, то перемещение частиц невозможно. Для обеспечения их перемещения используют:

  • Увеличение температуры проводника;
  • Влияние разности потенциалов на переносчиков заряда;
  • Реакции химической природы, результатом которых является образование нового вещества;
  • Влияние сил магнитного поля на проводник.

Ток смещения

Результатом работы движущихся заряженных частиц являются:

  • Свет в люминесцентных приборах (излучение света);
  • Выделение тепловой энергии (нагревательные элементы);
  • Механическая работа (при эксплуатации электро двигателей и других подобных приборов);
  • Излучения электромагнитной природы.

Световое излучение в лампе накаливания

Эл. ток характеризуется силой и плотностью. Сила – величина, которую можно численно измерить. Она приравнивается к отношению самого заряда к временному периоду, за который он преодолевает поперечное сечение проводимого вещества. Плотность вычисляют путем деления силы на площадь упомянутого выше сечения.

Характер перемещения частиц может быть переменным и постоянным. У постоянного тока характеристики не изменяются с течением времени, а для переменного данное условие не актуально.

Важно! Существует ток проводимости и смещения. Первый вызван движением отрицательно заряженных частиц в металлах по отношению к ионной решетке. Второй возникает из-за движения электронов по границе проводника и вещества, не проводящего электричество (диэлектрика).

Ток в металлах

Электролиты и расплавы. Жидкая фаза

Следующий класс веществ, в которых возможно существование электрического тока — это растворы и расплавы. Сюда относятся все электролиты, например водный раствор поваренной соли (NaCl), соляная и серная кислоты, щелочи и т.п. Под расплавами понимается жидкая фаза вещества, например, ту же самую поваренную соль можно расплавить и пропустить через нее электрический ток. Если медный провод, который является хорошим проводником, расплавить, то в нем уже будет не ток проводимости, а ток в расплаве. Такой ток так и именуют — электрический ток в растворах и расплавах.

Виды и типы диэлектриков

Классификация диэлектриков довольна обширная. Тут встречаются жидкие, твердые и газообразные вещества. Далее они делятся по определенным признакам. Ниже приведена условная классификация диэлектриков с примерами в форме списка.

  • газообразные
    • — полярные
    • — неполярные (воздух, элегаз)
  • жидкие
    • — полярные (вода, аммиак)
      • — жидкие кристаллы
    • — неполярные (бензол, трансформаторное масло)
  • твердые
    • — центросимментричные
      • — аморфные
        • — смолы, битумы (эпоксидная смола)
        • — стекла
        • — неупорядоченные полимеры
      • — поликристаллы
        • — нерегулярные кристаллы
        • — керамика
        • — упорядоченные полимеры
        • — ситаллы
      • — монокристаллы
        • — молекулярные
        • — ковалентные
        • — ионные
          • — параэлектрики смещения
          • — параэлектрики „порядок-беспорядок”
        • — дипольные
      • — нецентросимментричные
        • — монокристаллы
          • — пироэлектрики
            • — сегнетоэлектрики смещения
            • — сегнетоэлектрики „порядок-беспорядок”
            • — линейные пироэлектрики
          • — пьезоэлектрики
            • — с водородными связями
            • — ковалентные
            • — ионные
        • — текстуры
          • — электронных дефектов
          • — ионных дефектов
          • — полярных молекул
          • — макродиполей
          • — сегнетоэлектрических доменов
          • — кристаллов в матрице

Если брать жидкие и газообразные диэлектрики, то основная классификация лежит в вопросе полярности. Разница в симметричности молекул. В полярных молекулы несимметричны, в неполярных — симметричны. Несимметричные молекулы называются диполями. В полярных жидкостях проводимость настолько велика, что их невозможно использовать в качестве изоляционных веществ. Поэтому для этих целей используют неполярные, тоже трансформаторное масло. А наличие полярных примесей даже в сотых долях значительно снижает планку пробоя и негативно сказывается на изоляционных свойствах неполярных диэлектриков.

кристаллы представляют собой нечто среднее между жидкостью и кристаллом, как следует из названия.

Еще популярным вопросом о свойствах и применении жидких диэлектриков будет следующий: вода — диэлектрик или проводник? В чистой дистиллированной воде отсутствуют примеси, которые могли бы вызвать протекание тока. Чистую воду можно создать в лабораторных, промышленных условиях. Эти условия сложны и трудновыполнимы для обычного человека. Есть простой способ проверить проводит ли дистиллированная вода ток.

является ли вода диэлектриком

Создать электрическую цепь (источник тока — провод — вода — провод — лампочка — другой провод — источник тока), в которой одним из участков для протекания тока будет сосуд с дистиллированной водой. При включении схемы в работу, лампочка не загорится — следовательно ток не проходит. Ну а если загорится, значит вода с примесями.

Поэтому любая вода, которую мы встречаем: из крана, в озере, в ванной — будет проводником за счет примесей, которые создают возможность для протекания тока. Не купайтесь в грозу, не работайте влажными руками с электричеством. Хотя чистая дистиллированная вода — полярный диэлектрик.

Для твердых диэлектриков классификация в основном лежит в вопросе активности и пассивности что ли. Если свойства постоянны, то диэлектрик используют в качестве изоляционного материала, то есть он пассивен. Если свойства меняются, в зависимости от внешних воздействий (тепло, давление), то этот диэлектрик применяют для других целей. Бумага является диэлектриком, если вода пропитана водой — то ток проводится и она проводник, если бумага пропитана трансформаторным маслом — то это диэлектрик.

Фольгой называют тонкую металлическую пластину, металл — как известно является проводником. В продаже имеется например ПВХ-фольга, тут слово фольга для наглядности, а слово ПВХ — для понимания смысла — ведь ПВХ это диэлектрик. Хотя в википедии — фольгой называется тонкий лист металла.

Аморфные жидкости — это и смола, и стекло, и битум, и воск. При повышении температуры этот диэлектрик тает, это замороженные вещества — это дикие определения, которые характеризуют лишь одну грань правды.

Поликристаллы — это, как бы сросшиеся кристаллы, объединенные в один кристалл. Например, соль.

Монокристалл — это цельный кристалл, в отличие от вышеупомянутого поликристалла имеющий непрерывную кристаллическую решетку.

Пьезоэлектрики — диэлектрики, у которых при механическом воздействии (растяжении-сжатии), возникает процесс ионизации. Применяется в зажигалках, детонаторах, УЗИ-обследовании.

Пироэлектрики — при изменении температуры в этих диэлектриках происходит самопроизвольная поляризация. Также она происходит при механическом воздействии, то есть пироэлектрики являются еще и пьезоэлектриками, но не наоборот. Примерами служат янтарь и турмалин.

Процессы в электропроводниках

Проводники токаВо время протекания электричества проводник попадает под определённое воздействие. Самое главное — это повышение температуры. А также выделяют некоторые химические реакции, которые могут изменить физические свойства вещества. Более всего такому влиянию подвергаются проводники второго рода. В них протекает химическая реакция, которую называют электролизом.

Ионы веществ около электрических полюсов получают необходимый заряд и восстанавливают исходное состояние, которое было у них до образования щелочи, кислоты или соли. С помощью электролиза химики и физики могут получать чистые химические вещества из природного сырья. Таким образом создают алюминий и другие виды металлов.

Что проводит электрический токВещества первого и второго рода участвуют в других процессах, кроме проводимости электричества. К примеру, во время взаимодействия кислоты со свинцом возникает химическая реакция, которая вызывает выделение тока. По такому принципу работают все аккумуляторы. Проводники первой группы при контакте друг с другом могут изменяться. Медь и алюминий при эксплуатации нужно покрывать специальной оболочкой, иначе оба металла просто расплавятся. Влажный воздух приведёт к тому, что произойдёт электрохимическая реакция. Поэтому проводники покрывают слоем лака или другого защитного материала.

Некоторые проводники не могут оказывать электричеству сопротивление при холодном воздухе. Такое явление называют сверхпроводимостью, которая соответствует значению температуры, близкой к химическому состоянию жидкого гелия. Но исследования привели к тому, что есть новые проводники с высокими показателями температуры.

Такие вещества были открыты в 20 веке. Керамика из кислорода, бария, меди и лантана при обычных условиях не проводит ток, но после нагревания становится сверхпроводником. На практике выгодно использовать вещества, которые могут пропускать электричество при 58 градусах по Кельвину и выше — температуре, превышающей отметку кипения азота.

Жидкость и газы, проводящие ток, используют реже твёрдых веществ. Но и они необходимы для изготовления современных электрических приборов.

Степень диссоциации

Понятие, количественно характеризующее, насколько полно произошёл распад электролита на ионы, называют степенью диссоциации. Этот показатель рассчитывается как отношение количества продиссоциировавших молекул к общему числу молекул вещества в растворе и фактически показывает долю (процент) распавшихся на ионы молекул в общем количестве.

Зависимость диссоциации от температуры

Следующие факторы могут влиять на степень электролитической диссоциации:

Температура

Зависимость от температуры достаточно сложна. Если распад на ионы экзотермический, то повышение температуры степень диссоциации будет уменьшать, а если эндотермический, повышение температуры приведёт к увеличению степени диссоциации. В целом же для каждого электролита есть определённые температурные условия, в которых он в максимальной степени будет распадаться на ионы.

Изменение показателя константы диссоциации (характеризует способность распадаться на ионы) для уксусной кислоты при изменении температуры можно привести в качестве примера:

0 °С 25 °С 50 °С
1,65∙10-5 1,75∙10-5 1,62∙10-5

максимальная ионизация раствора, как видно, наступает при 25 °C, а при температурах выше и ниже этого значения диссоциация происходит в меньшей степени.

Что такое степень диссоциации? Подробный ответ вы найдете в этом видео.

Природа растворителя и электролита

Концентрация:

  • Растворители с полярными молекулами, хорошей диэлектрической проницаемостью (этот показатель максимален у воды и равен 81, а, например, у этилового спирта — 25) обладают высокой ионизирующей способностью, то есть способны вызывать диссоциацию вещества.
  • Вещества с сильно полярными ковалентными и ионными связями являются сильными электролитами.
  • При увеличении концентрации степень диссоциации уменьшается и наоборот.

Сильные и слабые электролиты

Стадия процесса диссоциации

Если молекула распадается на ионы постадийно, то каждая следующая стадия имеет примерно в 1000−10 000 раз меньший эффект, чем предыдущая.

Экспериментально определить степень диссоциации можно по электропроводности растворов, т. к. она прямо зависит от концентрации движущихся ионов. Истинное значение при этом получить нельзя, такое значение называют кажущимся. Оно меньше истинного, так как при движении к электродам ионы могут сталкиваться, что частично уменьшает их подвижность. При высокой концентрации может возникать притяжение между ионами, обусловленное электростатическими силами, они чаще сталкиваются, теряя свою подвижность, что влияет на показания электропроводности.

Например, в растворе соляной кислоты (1 моль/л) измерения покажут степень распада на ионы равной 0,78 (78%), но фактически раствор не будет содержать 22% недиссоциированных молекул, так как практически все молекулы диссоциированы.

Проводники электрического тока

Среди множества веществ, лишь некоторые являются проводниками. К хорошим проводникам относятся металлы. Важной характеристикой проводника является его удельное сопротивление.

Небольшое сопротивление имеют:

  • все благородные металлы;
  • медь;
  • алюминий;
  • олово;
  • свинец.

На практике наиболее часто применяют алюминиевые и медные проводники, так как они не слишком дорогие.

Электробезопасность

Несмотря на то что электричество прочно вошло в нашу жизнь, не следует забывать об электробезопасности. Высокие напряжения опасны для жизни, а короткие замыкания становятся причиной пожаров.

При выполнении ремонтных работ необходимо строго соблюдать правила безопасности: не работать под высоким напряжением, использовать защитную одежду и специальные инструменты, применять ножи заземления и т.п.

В быту используйте только такую электротехнику, которая рассчитана на работу в соответствующей сети. Никогда не ставьте «жучки» вместо предохранителей.

Помните, что мощные электролитические конденсаторы имеют большую электрическую емкость. Накопленная в них энергия может вызвать поражение даже спустя несколько минут после отключения от сети.

Рейтинг
( 1 оценка, среднее 5 из 5 )
Загрузка ...
Электрик в Дом