Фізика. Профільний рівень. 11 клас. Гельфгат

§ 3. Електричний струм у різних середовищах

1. Порівнюємо деякі середовища, які проводять струм

З курсу фізики 8 класу ви знаєте, що електричний струм може протікати не тільки в металах. Ви вивчали також струм в електролітах і газах. Напевно ви щось знаєте й про струм у напівпровідниках. Давайте пригадаємо властивості деяких середовищ і встановимо, що вони мають спільного та чим відрізняються.

Провідність речовини залежить від кількості вільних заряджених частинок в одиниці об’єму, тобто від їх концентрації. Провідність залежить також від того, наскільки ці частинки «рухомі». Характеристики ж речовини залежать від фізичних умов, перш за все температури (див. табл. 3.1).

Таблиця 3.1

Порівняльні характеристики деяких речовин, у яких можливий струм

Тип речовини	Вільні заряджені частинки	Залежність питомого опору від температури	Додаткова інформація (обговорюється нижче)
Метали	Вільні електрони. Утворюються разом із позитивними йонами, з яких складаються кристалічні ґратки	Збільшується під час нагрівання через посилення коливань йонів кристалічних ґраток	Існування надпровідності
Електроліти (розчини та розплави)	Позитивні та негативні йони. Утворюються внаслідок електролітичної дисоціації, що зумовлена тепловим рухом і послабленням зв’язків між йонами завдяки дії розчинника	Зменшується під час нагрівання через збільшення концентрації йонів	Електроліз і його застосування, закони електролізу
Гази	Йони (переважно позитивні) та електрони. Утворюються внаслідок дії зовнішнього йонізатора або йонізації електронними ударами	Зменшується під час нагрівання через збільшення концентрації йонів і електронів	Несамостійний і самостійний розряди, типи самостійного розряду. Плазма

2. Провідність металів і надпровідність

Опір металу характеризує перетворення енергії струму (пов’язаної з напрямленим рухом заряджених частинок) в енергію хаотичного руху йонів кристалічних ґраток, тобто у внутрішню енергію провідника. На початку XX століття було доведено, що електричний струм у металах переносять вільні електрони. Було створено елементарну електронну теорію, яка пояснювала опір зіткненнями електронів з йонами. Проте багато які з висновків цієї теорії не відповідали експериментальним даним.

Згодом з’ясувалося, що пояснення струму в металах можливе тільки з позицій квантової теорії. Виявилося, що вільні електрони поводяться подібно до хвиль. Їх руху заважає не існування кристалічних ґраток, а їх неідеальність, тобто будь-яке відхилення від строгої періодичності. Такі відхилення виникають, наприклад, через неоднаковість йонів. Тому питомий опір сплавів набагато перевищує питомий опір чистих металів. Теплові коливання йонів також порушують ідеальний порядок — адже в будь-який момент переважна більшість йонів зміщені від положень рівноваги. Саме через це питомий опір металів збільшується внаслідок нагрівання та зменшується внаслідок охолодження.

Навколо фізики

Явище надпровідності X. Камерлінг-Оннес відкрив 1911 року. Класична теорія не дозволяла пояснити це явище. Проте навіть після створення квантової теорії надпровідність довго залишалася «занадто міцним горішком» для теоретиків. Тільки 1957 року американські вчені Дж. Бардін, Л. Купер, Дж. Шріффер і незалежно від них радянський учений Μ. М. Боголюбов запропонували мікроскопічну теорію надпровідності. Цікаво, що за 7 років до цього радянські фізики-теоретики В. Л. Гінзбург і Л. Д. Ландау створили теорію, яка дозволила правильно передбачити поведінку надпровідника в магнітному полі навіть без знання мікроскопічного механізму явища.

Зазначимо, що на початку XX століття було відкрито явище надпровідності, властиве деяким металам, сплавам і керамікам. Першим відкритим надпровідником була ртуть: коли її температура опускалася до -269 °С, електричний опір цього металу зменшувався до нуля! Нульовий опір означає, що енергія струму не витрачається на нагрівання надпровідника. Отже, для підтримання струму в надпровіднику не потрібне електричне поле (можна обійтися навіть без джерела струму).

Практичне застосування надпровідників утруднюється тим, що потрібне їх глибоке охолодження. Проте зараз відома й високотемпературна надпровідність у багатьох матеріалах (їх треба охолоджувати «усього» приблизно до -150 °С).

Надпровідність може бути дуже корисною — уявімо хоча б передачу електроенергії без втрат або надпотужні електромагніти. Проте протягом 75 років температуру надпровідного переходу не вдалося збільшити навіть до 30 К! А оптимісти все ж сподівалися підняти цю температуру вище 77 К, тобто отримати ВТНП — високотемпературну надпровідність. Це дозволило б застосовувати замість гелієвого охолодження азотне, яке набагато дешевше. Таких оптимістів з роками залишалося все менше. Але 1986 року з’явилося повідомлення про успіх співробітників наукового підрозділу корпорації IBM К. А. Мюллера та Й. Г. Беднорца. Вони отримали речовину (кераміку), яка ставала надпровідником «лише» за температури 35 К. Уже наступного року вчених було відзначено Нобелівською премією. Перспективний напрям пошуку було знайдено, успіхи пішли один за одним. Незважаючи на багато труднощів, надпровідникові технології завойовують місце в арсеналі сучасної техніки.

К. Мюллер

Й. Беднорц

3. Електроліти та електроліз. Закони електролізу

Електричний струм в електролітах (а це солі, луги, кислоти), на відміну від струму в металах, дає можливість спостерігати хімічну дію струму.

Розглянемо, наприклад, процес розчинення кухонної солі NaCl у воді. Молекулу NaCl можна розглядати як таку, що складається з позитивного йона Na⁺ та негативного Йона Сl^-. Між цими йонами діють сили електричного притягання, які й поєднують йони в молекулу. Молекули води можна вважати диполями, тому вода спричиняє суттєве послаблення сил електричної взаємодії. Отже, молекули солі можуть тепер розпадатися на йони (рис. 3.1). Безпосередньою причиною розпаду можуть бути, наприклад, зіткнення, зумовлені тепловим рухом молекул. Такий розпад молекул на йони називають електролітичною дисоціацією. У деяких речовинах розпад на йони відбувається навіть без розчинення, просто внаслідок нагрівання. Існує й протилежний процес: позитивний і негативний йони можуть випадково зустрітися та утворити нейтральну молекулу. За незмінних умов між обома «зустрічними» процесами встановляється динамічна рівновага. При цьому ступінь дисоціації (частка «зруйнованих» молекул) лишається незмінним.

Рис. 3.1. Схематичне зображення процесу електролітичної дисоціації

Позитивні та негативні йони в розчині або розплаві електроліту є вільними зарядженими частинками. За відсутності електричного поля вони рухаються хаотично. Але якщо створити в електроліті електричне поле, то рух йонів стає напрямленим (рис. 3.2), тобто виникає електричний струм. Йони різних знаків рухатимуться в протилежних напрямах, проте перенесення заряду відбувається в один і той самий бік.

Рис. 3.2. Електричний струм в електроліті

Щоб створити в рідині електричне поле, в неї занурюють два металевих або вугільних електроди, з’єднані з полюсами джерела струму. Електрод, з’єднаний з позитивним полюсом джерела струму, називають анодом, а електрод, з’єднаний з негативним полюсом, — катодом. Очевидно, позитивні йони рухаються до катода, а негативні — до анода.

Саме напрямлений рух йонів спричиняє певні хімічні перетворення. Наприклад, якщо струм протікає через розчин солі СuСl₂, то позитивні йони Сu²⁺ доходять до катода й там отримують електрони, яких їм «бракує». Після цього йони перетворюються на нейтральні атоми, які можуть осісти на поверхні катода (на поверхні катода утворюється шар міді). Йони ж Сl^- доходять до анода, де втрачають «зайві» електрони. Отже, з солі СuСl₂ утворилися чиста мідь і чистий хлор. Процес виділення речовин на електродах під час протікання струму через електроліт називають електролізом.

Закони електролізу встановив М. Фарадей.

• Перший закон Фарадея. Маса m речовини, що виділилася під час електролізу, пропорційна силі струму I та часу t його протікання:

m = kIt. (3.1)

Коефіцієнт пропорційності k називають електрохімічним еквівалентом речовини. Він чисельно дорівнює масі даної речовини, що виділяється на електроді протягом 1 с за сили струму 1 А (тобто коли через електроліт проходить заряд 1 Кл). Наприклад, електрохімічний еквівалент міді (Сu²⁺) дорівнює 0,33 мг/Кл. Це означає, що коли через розчин (наприклад, розчин солі СuСl₂) проходить заряд 1 Кл, на катоді виділяється мідь масою 0,33 мг.

• Другий закон Фарадея. Електрохімічний еквівалент речовини прямо пропорційний її молярній масі М та обернено пропорційний валентності z відповідних йонів.

Електроліти широко застосовують у сучасній техніці. Зазначимо, що електроліт є складовою частиною всіх акумуляторів.

За допомогою електролізу отримують з природних хімічних сполук багато які кольорові метали. Це, зокрема, алюміній, з якого виготовляють легкі та міцні сплави. До початку застосування електролізу алюміній коштував дорожче, ніж золото; нині ж кожного року отримують десятки мільйонів тон алюмінію. Електроліз також дозволяє очистити метал від домішок. Саме так отримують достатньо чисту (рафіновану) мідь для виготовлення електричних проводів.

Щоб захистити метал від корозії або надати йому привабливого зовнішнього вигляду, на нього часто наносять шар іншого металу (срібла, золота, нікелю, хрому тощо). Найкращий шлях для отримання тонкого шару покриття, яке міцно зв’язане з поверхнею, — це знов-таки застосування електролізу. Відповідний процес називають гальваностегією. Наприклад, для нікелювання виробу його занурюють у ванну з розчином солі нікелю та приєднують до негативного полюса джерела струму (тобто застосовують як катод); анод зазвичай є пластинкою з нікелю. Під час електролізу анод потроху розчиняється, а на катоді осідає шар нікелю.

За допомогою електролізу можна також отримувати точні копії рельєфних виробів — зокрема, скульптур. Такий процес називають гальванопластикою. М’який матеріал (наприклад, віск) щільно притискають до виробу та отримують його зліпок. Щоб поверхня цього зліпка проводила струм, її вкривають тонким шаром графіту. Після цього зліпок занурюють у розчин електроліту та застосовують як катод. Отримавши на катоді достатньо товстий шар металу, цей шар відділяють від зліпка та отримують форму для виготовлення точних копій виробу.

Навколо фізики

Виявляється, електроліти можуть бути й твердими. Йдеться про кристали з йонною природою хімічного зв’язку, в яких йони одного типу можуть досить легко переміщатися. Такі речовини називають суперйонними провідниками. Вони поєднують механічну жорсткість кристалів і електричну провідність, характерну для рідких електролітів. Провідність твердих електролітів помітно зростає з підвищенням температури. Особливо великою є провідність твердих розчинів і кристалів з певними порушеннями порядку розташування йонів.

4. Самостійний і несамостійний розряди в газах. Плазма

Зазвичай гази можна розглядати як діелектрики (наприклад, повітря забезпечує ізоляцію провідників у повітряних лініях електропередачі). Проте можна переконатися, що за певних умов повітря проводить струм.

Якщо зарядити електрометр, його стрілка тривалий час лишатиметься відхиленою від вертикалі. Якщо ж неподалік від кулі електрометра запалити сірник, стрілка швидко опуститься (рис. 3.3). Це свідчить про втрату електричного заряду. Отже, нагріте повітря проводить струм. Інакше кажучи, у повітрі з’явилися вільні заряджені частинки. Звідки ж вони взялися?

Рис. 3.3. Несамостійний розряд, спричинений нагріванням газу

Нагрівання газу спричиняє збільшення середньої швидкості хаотичного руху його молекул. Тепер під час деяких зіткнень від молекул або атомів відриваються електрони. Таким чином у газі з’являються вільні заряджені частинки — електрони та позитивні йони (рис. 3.4).

Рис. 3.4. Механізм йонізації під час зіткнення молекул

Якщо вільний електрон наблизиться до нейтральної молекули (або атома), він може «прилипнути» до неї, утворивши негативний йон (рис. 3.5, а).

Струм у газах називають газовим розрядом.

Йонізувати газ можна не тільки за допомогою нагрівання. Нейтральні молекули та атоми газу можуть перетворюватися на йони під впливом різних випромінювань. Чинники, що викликають йонізацію газу, називають йонізаторами.

Повернемося до наведеного вище прикладу (див. рис. 3.3). Якщо загасити сірник, то стрілка електрометра практично миттєво зупиниться в новому положенні. Це свідчить про припинення газового розряду. Такий газовий розряд, що існує тільки за наявності зовнішнього йонізатора, називають несамостійним. Після припинення дії зовнішнього йонізатора кількість вільних заряджених частинок у газі швидко зменшується. Деякі з них потрапляють на електроди, з’єднані з полюсами джерела струму, та втрачають свій заряд. Інші ж зазнають рекомбінації: вільний електрон і позитивний йон зустрічаються (рис. 3.5, б) та утворюють нейтральну молекулу (атом).

Рис. 3.5. Утворення негативного йону (а) та рекомбінація (б)

За певних умов струм у газах може протікати навіть за відсутності зовнішнього йонізатора. У цьому випадку говорять про самостійний газовий розряд. Він виникає за умови, що електричне поле розганяє вільні електрони достатньо сильно. Тоді зіткнення електрона з нейтральним атомом або молекулою може спричинити їх йонізацію. Отже, кількість вільних електронів буде збільшуватися. «Нові» вільні електрони теж набуватимуть великої швидкості під дією електричного поля, тому вони можуть йонізувати нові атоми або молекули на своєму шляху. Кількість вільних заряджених частинок різко зростає — виникає електронна лавина (рис. 3.6).

Рис. 3.6. Електронна лавина під час самостійного розряду

Вільні електрони, утворені в лавині, швидко доходять до анода та поглинаються ним. Отже, для підтримання струму біля катода мають з’являтися нові вільні електрони, щоб започаткувати нові електронні лавини. Такі «початкові» електрони можуть вилітати з самого катода внаслідок «бомбардування» катода позитивними йонами або внаслідок «випаровування» електронів з розігрітого катода (термоелектронної емісії).

Умови для достатнього розгону електронів можуть створюватися за рахунок різних чинників. Це не тільки сильне електричне поле, а й розрідженість газу (в розрідженому газі електрони зазнають менше зіткнень та менше втрачають енергії) тощо. Відповідно розрізняють різні види самостійного газового розряду (рис. 3.7).

Рис. 3.7. Різні види самостійного розряду

Тліючий розряд відбувається за низького тиску газу (в тисячі разів менше від атмосферного тиску). Цей розряд застосовують у люмінесцентних лампах, газових лазерах і трубках для реклами (колір світіння залежить від того, який саме газ міститься в трубці).

Іскровий розряд знайомий кожному — прикладом такого розряду є блискавка. Для іскрового розряду характерне виникнення на дуже короткий час світних ниток у формі зиґзаґів. Дуже швидке нагрівання газу в каналі розряду спричиняє різке розширення цього газу, що супроводжується виникненням звуку (потріскування в шкільних дослідах або удару грому під час народження блискавки). Іскровий розряд може виникати у вимикачах під час розімкнення кола; цей розряд застосовують для обробки міцних металів, для підпалювання пальної суміші у двигунах внутрішнього згоряння.

Коронний розряд виникає, наприклад, у грозову або передгрозову погоду поблизу загострених країв металевих предметів. Його можна спостерігати за світінням, що нагадує корону навколо предмета. Таке світіння на гострих кінцях корабельних щогл і рей моряки називали «вогнями святого Ельма». У зовнішньому електричному полі на поверхні предметів накопичується електричний заряд, що створює власне електричне поле. Це поле є найсильнішим саме поблизу загострених країв предмета. Воно й викликає йонізацію повітря та коронний розряд. Коронний розряд застосовують в електрофільтрах для очищення повітря.

Дуговий розряд можна спостерігати, якщо взяти два вугільних електроди, на які подано напругу в кілька десятків вольтів, торкнутися електродами один одного та розвести їх на невелику відстань. Між електродами виникне яскраве світіння, на яке просто боляче (та й не слід) дивитися незахищеним оком. Температура під час дугового розряду сягає температури поверхні Сонця (близько 6000 °С). Струм так сильно розігріває місце контакту електродів, що з катода безперервно «випаровуються» електрони, підтримуючи самостійний розряд. Висока ж температура підтримується через бомбардування електродів електронами та йонами, що розганяються електричним полем. Дуговий розряд застосовується дуже широко: для електричного зварювання металів, у потужних дугових лампах (для прожекторів, маяків, кінопроекційних апаратів), у дугових електропечах для виплавляння металів.

• Плазмою називають йонізований газ, у цілому електрично нейтральний.

Навколо фізики

Якщо розігріти речовину до температур У сотні тисяч і мільйони градусів (за таких температур уже байдуже, визначати температуру за Кельвіном чи Цельсієм), то нейтральних атомів, а тим більше молекул практично не залишиться. За таких високих температур зіткнення атомів настільки сильні, що з великою ймовірністю відбувається йонізація. Утворюється суміш негативно заряджених електронів і позитивно заряджених йонів (це можуть бути навіть атомні ядра). Властивості речовини у такому стані суттєво відрізняються від властивостей газів: якщо молекули в газі взаємодіють лише під час зіткнень, то кожна заряджена частинка плазми взаємодіє з великою кількістю інших заряджених частинок. Тому в плазмі можливі дуже складні процеси, у яких досі намагаються розібратися вчені.

У газорозрядній трубці та газосвітній лампі, у комірках деяких сучасних плоских телевізорів ми маємо справу саме з плазмою. Ця плазма газового розряду є слабойонізованою — більшість атомів і молекул лишаються «неушкодженими» та нейтральними. А от у каналі блискавки та в розряді під час електрозварювання йонізація вже помітніша (рис. 3.8).

Рис. 3.8. Плазма в природі та техніці

У земних умовах плазма зустрічається не так і часто. Тому її назвали четвертим станом речовини (після твердого, рідкого та газоподібного). Однак у масштабах Всесвіту саме плазма поза конкуренцією як перший (найбільш поширений) стан речовини! Саме в такому стані перебуває більшість зір і речовина в міжзоряному просторі.

На Землі ж саме з плазмою пов’язані головні надії на створення термоядерних реакторів, які відкриють для людства практично невичерпні джерела енергії. Докладніше про це ви дізнаєтеся пізніше (див. § 27).

5. Вчимося розв'язувати задачі

Підбиваємо підсумки

Електричний струм у газі називають газовим розрядом. Розрізняють несамостійний і самостійний газові розряди. Йонізований газ, у цілому електрично нейтральний, називають плазмою. Плазма є найбільш поширеним станом речовини у Всесвіті.

Контрольні запитання

1. Які вільні заряджені частинки є в металі? у розчині електроліту? 2. У чому полягає явище надпровідності? 3. Чому питомий опір електроліту зменшується під час нагрівання? 4. Запишіть формулу першого закону Фарадея для електролізу. 5. Чим відрізняється самостійний газовий розряд від несамостійного? 6. Що таке плазма?

Вправа № 3

1. Через електролізну ванну з розчином солі СuСl пройшов заряд 1800 Кл. Визначте масу отриманої міді. Електрохімічний еквівалент міді (Сu⁺) дорівнює 0,66 мг/Кл.

2. Виконуючи лабораторну роботу з визначення електрохімічного еквівалента міді, учень протягом 27 хв пропускав електричний струм 5 А через розчин солі CuSO₄. За час досліду маса катода збільшилася від 37,2 до 39,6 г. Яке значення електрохімічного еквівалента отримав учень?

3. Під час хромування деталі електроліз тривав 2,5 год за сили струму 8 А. Визначте товщину отриманого шару хрому, якщо площа поверхні деталі 500 см². Електрохімічний еквівалент хрому дорівнює 0,18 мг/Кл, його густина 7200 кг/м³.

4. Скільки електроенергії (у кіловат-годинах) витрачають для отримання кожної тонни алюмінію? Електроліз здійснюють за напруги 850 В. Втрати енергії не враховуйте. Електрохімічний еквівалент алюмінію дорівнює 0,09 мг/Кл.