Лучшей проводимостью электрического тока является. Общие сведения. Вещества, водные растворы которых проводят электрический ток, называются электролитами

Способность вещества проводить электрический ток называется электропроводностью.

По электропроводности все вещества делятся на проводники, диэлектрики и полупроводники.

Проводники обладают высокой электропроводностью . Различают проводники первого и второго рода. К проводникам первого рода относятся все металлы, некоторые сплавы и уголь. Они обладают электронной проводимостью. К проводникам второго рода относятся электролиты. В них имеет место ионная проводимость.

В проводниках отсутствует электростатическое поле (рис.1.10б).

Если проводник поместить в электростатическое поле, то под действием этого поля происходит перемещение зарядов в проводнике: положительных – в направлении внешнего поля, отрицательных – в противоположном направлении (рис.1.10а). Такое разделение зарядов в проводнике под действием внешнего поля называется электростатической индукцией . Разделённые внутри проводника заряды создают своё электрическое поле, направленное от положительных зарядов к отрицательным, т.е. против внешнего поля (рис.1. 10а).

Очевидно, разделение зарядов в проводнике прекратится тогда, когда напряжённость поля разделённых зарядов E

внутр станет равной напряжённости внешнего поля в проводнике Eвнешн, т.е. Eвнутр = Eвнешн, а результирующее поле

Е = Eвнутр – Eвнешн = 0

Таким образом, результирующее поле внутри проводника станет равным нулю

(рис.1. 10б). На этом принципе работает электростатический экран, защищающий часть пространства от внешних электрических полей (рис.1. 11). Для того чтобы внешние электрические поля не влияли на точность электроизмерения, измерительный прибор помещают внутрь замкнутой проводящей оболочки (экран), в которой электростатическое поле отсутствует.

1.4. Электропроводность. Диэлектрики в электрическом поле

Электропроводность диэлектриков практически равна нулю в силу весьма сильной связи между электронами и ядром атомов диэлектрика .

Если диэлектрик поместить в электростатическое поле, то в нём произойдёт поляризация атомов, т.е. смещение разноимённых зарядов в самом атоме, но не разделение их (рис. 1.12а). Поляризованный атом может рассматриваться как электрический диполь (рис. 1.12б), в котором «центры тяжести» положительных и отрицательных зарядов смещаются.

Диполь – это система двух разноимённых зарядов, расположенных на малом расстоянии друг от друга в замкнутом пространстве атома или молекулы.

Электрический диполь – это атом диэлектрика, в котором орбита электрона вытягивается в направлении, противоположном направлению внешнего поля Eвнешн (рис. 1.12б). Поляризованные атомы создают своё электрическое поле, напряжённость которого направлена против внешнего поля. В результате поляризации результирующее поле внутри диэлектрика ослабляется. Интенсивность поляризации диэлектрика зависит от его диэлектрической проницаемости. Чем она больше, тем интенсивнее поляризация в диэлектрике и тем слабее электрическое поле в нём.

Е = Eвнешн – Eвнутр

Если диэлектрик поместить в сильное электрическое поле, напряжённость которого можно увеличивать, то при каком-то значении напряжённости произойдёт пробой диэлектрика, при этом электроны отрываются от атома, т.е. происходит ионизация диэлектрика, и он становится проводником. Напряжённость внешнего поля, при которой происходит пробой диэлектрика, называется пробивной напряжённостью диэлектрика. А напряжение, при котором происходит пробой диэлектрика, называют напряжением пробоя, или электрической прочностью диэлектрика .

Чтобы разобраться в таком явлении как электропроводность вещества, сначала нужно понять, что такое электрический ток, так как эти два явления неразрывно связаны друг с другом. Электрический ток представляет собой упорядоченное движение заряженных частиц, которое может происходить под воздействием электрического поля.

Главная особенность электрического тока – его широкое применение в энергетике. Это – единственный вид энергии, который можно свободно передавать на большие расстояние без какой-либо дополнительной переработки.

Рассматривая передачу энергии, нужно затронуть тему проводников, по которым передаётся ток. Заряженными частицами могут быть электроны, ионы в электролитах и газах, в полупроводниках такими частицами становятся электроны и дырки. Данная особенность напрямую зависит от структуры вещества или тела. При этом каждое тело обладает собственной электрической проводимостью.

Что такое электрическая проводимость?

Простыми словами электрическая проводимость или электропроводность – это способность или свойство вещества или тела проводить электрический ток, который создаётся под действием электрического поля.

Это физическая величина, которую можно измерить, на основе которой даётся характеристика того или иного проводника. Чем выше эта характеристика, тем лучше тело проводит ток.

Как уже было сказано, проводниками электрического тока выступают свободные заряженные частицы, а значит, электропроводность зависит от количества таких свободных частиц. Чем большей будет концентрация свободных заряженных частиц, тем лучше вещество или тело будет проводить электрический ток.

Основные группы проводников

Так как разные тела располагают разным количеством свободных частиц, электропроводимость у всех отличается. По этому показателю тела можно разделить на три основные группы.

К первой группе относятся проводники, у них самая высокая проводимость. Такие тела лучше всего способны проводить электрический ток. Однако проводники также могут быть двух видов, отличие заключается в особенностях протекания тока.

1. Первый вид проводников – металлы. У них электронная проводимость, так как ток протекает за счёт большого количества свободных электронов;

2. Второй вид проводников с высокой электропроводимостью – различные кислоты, щелочные растворы и соли. Другое их название – электролиты. В них свободными заряженными частицами являются ионы. Отсюда и название – ионная проводимость.

Стоит отметить, что существуют вещества смешанного типа, то есть, заряженными частицами в них могут быть как электроны, так и ионы. Это могут быть некоторые газы.

Высокая электропроводность металлов легко объяснима при рассмотрении их структуры. В атомах металлов валентные электроны могут легко перемещаться от одного атома к другому, так как они слабо связаны с ядром. Таким образом, образуется электрический ток.

Электрическое сопротивление и скорость протекания тока

Электропроводимость тела напрямую зависит от сопротивления вещества, а её величина будет обратнопропорциональна показателю сопротивления.

Электрическое сопротивление – это свойство любого проводника; величина сопротивления равна отношению напряжения к силе протекающего тока. Можно сказать, что чем выше напряжение подаваемого тока, тем выше скорость протекания тока, однако сопротивление проводника снижает этот показатель.

Следует добавить, что электрического поле, порождающее упорядоченное движение частиц, а, следовательно, и электрический ток, распространяется в пространстве со скоростью света. То есть, электрический ток протекает всегда со скоростью 300 тысяч километров в секунду.

В чём же тогда особенность скорости движения? Дело в том, что скорость протекания тока равна скорости света, однако отдельные электроны могут двигаться с разной скоростью – от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров в секунду. Это, разумеется, не очень большая скорость.

Почему же, существует подобная разница и как объяснить скорость распространения тока? Напряжение тока как раз определяет скорость движения отдельных электронов – несколько миллиметров или сантиметров в секунду.

Дело в том, что каждый отдельный электрон движется в одном огромном потоке электронов, которые полностью заполняют проводник. И каждый электрон постоянно взаимодействует с другими электронами. Так происходит во время прохождения электрического тока.

Поэтому отдельный электрон движется крайне медленно, однако, скорость распространения энергии в электрическом проводнике будет очень высока. Соответственно, чем больше будет количество свободных частиц, тем лучше будет их взаимодействие, а значит, выше будет скорость распространения тока и скорость передачи электрической энергии.

Электрический ток. В веществе, помещенном в электрическое поле, под действием сил поля возникает процесс движения элементарных носителей электричества - электронов или ионов. Движение этих электрически заряженных частиц материи называют электрическим током.
За единицу силы тока принят ампер (А). Это такой ток, при котором через поперечное сечение проводника каждую секунду проходит количество электричества, равное 1 Кл. Силу тока иногда измеряют тысячными долями ампера - миллиамперами (мА) или миллионными долями ампера - микроамперами (мкА), а при больших значениях- тысячами ампер - килоамперами (кА), в формулах ток обозначают буквой I (i).
В электротехнике широко применяют как постоянный, так и переменный ток. Постоянным называют ток, значение и направление которого в любой момент времени остаются неизменными (рис. 9, а).
Токи, значение и направление которых не остаются постоянными, называют изменяющимися, или переменными. Чаще всего в электротехнических устройствах используют ток, изменяющийся по синусоидальному закону, который получают от генераторов переменного тока и трансформаторов (рис. 9, б). От выпрямителей получают пульсирующий ток (рис. 9, в), неизменный по направлению, но меняющийся по величине.

Электропроводность. Свойство вещества проводить электрический ток под действием электрического поля называют электропроводностью. Электропроводность различных веществ зависит от концентрации свободных (т. е. не связанных с атомами, молекулами или кристаллической структурой) электрически заряженных частиц. Чем больше концентрация этих частиц, тем больше электропроводность данного вещества. Все вещества в зависимости от электропроводности делят на три группы: проводники, диэлектрики (изолирующие материалы) и полупроводники.
Проводники обладают очень высокой электропроводностью. Существуют два рода проводников, которые различаются физической природой протекания электрического тока. К проводникам первого рода относятся металлы. Прохождение по ним тока обусловлено движением свободных электронов, вследствие чего их называют проводниками с электронной проводимостью. Проводниками второго рода являются растворы кислот, щелочей и солей (в основном водные), называемые электролитами. Прохождение тока через электролиты связано с движением электрически заряженных частей молекул - положительных и отрицательных ионов, т. е. электролиты являются проводниками с ионной проводимостью.
Имеются также вещества со смешанной проводимостью, в которых ток переносится электронами и ионами. К ним относятся, например, газы и пары в ионизированном состоянии.
Физическая природа электропроводности металлов. Высокая электропроводность металлов хорошо объясняется на основе электронной теории. Согласно этой теории валентные электроны сравнительно слабо связаны с их ядрами. Поэтому они свободно перемещаются между атомами, переходя из сферы действия одного атома в сферу действия другого и заполняя пространство между ними наподобие газа. Эти электроны принято называть свободными.
Свободные электроны / находятся в состоянии беспорядочного движения (рис. 10, а). Однако если внести металлический проводник в электрическое поле, то свободные электроны под действием сил поля начнут перемещаться в сторону положительного полюса (рис. 10, б), создавая электрический ток. Таким образом, электрическим током в металлических проводниках называется упорядоченное (направленное) движение свободных электронов.

Металлоиды имеют на внешней оболочке большое количество электронов и они прочно удерживаются около своих ядер. Поэтому металлоиды, как правило, являются диэлектриками.
Скорость прохождения тока. Электрическое поле распространяется в пространстве с огромной скоростью - 300 000 км/с, т. е. со скоростью света. С такой же скоростью проходит и электрический ток в проводнике. Однако каждый отдельный электрон движется в среднем по проводнику со скоростью несколько миллиметров или сантиметров в секунду (эта скорость зависит от напряженности электрического поля).
Чем же объяснить такую скорость распространения электрического тока? Причина в том, что каждый электрон находится в общем электронном потоке, заполняющем проводник, и при прохождении электрического тока испытывает непрерывное воздействие со стороны соседних электронов. Поэтому, хотя сам электрон движется медленно, скорость передачи движения от одного электрона к другому (скорость распространения электрической энергии) будет огромна. Например, при включении рубильника на электростанции практически мгновенно появляется ток в каждом участке электрической цепи целого города, несмотря на незначительную скорость движения электронов.

Вещества, водные растворы которых проводят электрический ток, называются электролитами. В отличие от металлов, имеющих электронную проводимость и полупроводников, имеющих электронно-дырочную проводимость, электролиты обладают ионной проводимостью.

Иногда электролитами называют и сами проводящие растворы, хотя более правильное выражение – раствор электролита.

Молекулы воды в незначительной степени распадаются на ионы:

Концентрация ионов водорода определяет кислотность раствора, а концентрация ионов гидроксила характеризует щелочность раствора. В чистой воде концентрации ионов Н + и ОН - равны. Чистая вода диссоциирует очень слабо. В 1 моль воды при 22º С распадается на ионы всего моль .

Однако получить такую воду очень трудно, т.к. в воздухе всегда присутствует углекислый газ, который, растворяясь воде, увеличивает концентрацию водородных ионов. Так как вода имеет большую диэлектрическую проницаемость () и молекулы воды обладают значительным дипольным моментом (Кл∙м ), то вокруг молекул воды на межатомных расстояниях (нм ) существует довольно сильное электрическое поле. Последнее является непосредственной причиной, ослабляющей силу электростатического притяжения ионов в молекулах растворенного вещества. Поэтому в процессе растворения соли или щелочи за счет тепловых соударений происходит распад молекул на анионы и катионы. Если молекулы растворенного вещества в воде не диссоциируют на ионы, то раствор не является проводником. Например, водные растворы сахаров, глицерина – изоляторы.

Результатом диссоциации является образование сольватов (гидратов), когда молекулы воды «обволакивают» ионы, образуя вокруг них сольватную оболочку (рисунок 1).

Рисунок 1 Сольватные оболочки: а – катиона; б – аниона

Для возникновения электрического тока в электролите, необходимо в ванну с раствором электролита опустить электроды из проводящего материала (металл, уголь и т.п.), к которым подключить источник тока (рисунок 2). Такое устройство называется гальванической или электролитической ванной.

Рисунок 2 Электролитическая ванна: 1 - ванна с раствором

медного купороса; 2 - катод; 3 – источник тока; 4 – анод;

И - скорости положительных и отрицательных ионов

На ион в электролите действуют две силы: сила со стороны электрического поля и сила сопротивления движению со стороны среды . Сила, действующая со стороны электрического поля, вычисляется по формуле:

где - заряд иона, Кл ; - напряженность электрического поля, .

Сила , обусловленная взаимодействием молекул, окружающих ион, пропорциональна скорости :

где - коэффициент сопротивления движению ионов в среде.

При движении иона в электролите между силами быстро устанавливается равновесие и движение иона между электродами можно рассматривать как равномерное и прямолинейное, поэтому:

Из (4) следует:

Если обозначить , то . Коэффициент b называется подвижностью ионов. Физический смысл подвижности в том, что она характеризует скорость ионов в электролите при напряженности электрического поля Е = 1 .

Так как ток в электролитах представляет собой упорядоченное движение ионов обоих знаков, обусловленное действием внешнего электрического поля, то плотность тока в электролите определяется выражением:

, (6)

где n + и - - концентрации катионов и анионов; + и - - - скорости их дрейфа, + и - - их заряды.

Происходящие на катоде и на аноде окислительно-восстанови-тельные реакции подчиняются законам Фарадея.

Первый закон : масса выделившегося на электроде вещества пропорциональна протекшему через электролит заряду:

, (7)

где - электрохимический эквивалент; I – сила тока, А ; t - время, с .

Электрохимические эквиваленты ряда элементов приведены в таблице 1.

Таблица 1 Значения электрохимических эквивалентов

для некоторых веществ

Второй закон : электрохимические эквиваленты элементов прямо пропорциональны их химическим эквивалентам:

где F - число Фарадея (F= 96500 ); M – молярная масса выделившегося на электроде вещества; n – его валентность, - химический эквивалент.

Продукты электровосстановления или электроокисления ионов электролита могут вступить в химические реакции с раствором вблизи электрода. Такие процессы называются вторичными реакциями.