Электрический ток в средах

На этой странице вы узнаете

• Почему полупроводник похож на сыр?
• Как пассажирский самолет чуть не упал из-за электрического разряда?
• Возможно ли получить идеальный диэлектрик?

Начнем с электрического тока не в средах, а в… скатах! Почему электрический скат может генерировать электрический разряд величиной до 220 В (на минуточку, это как в обычной розетке), а сам от него не страдает? Любопытно? На самом деле все очень просто. 

Когда мама просит папу починить переломленный провод от утюга, папа берет в руки универсальную синюю изоленту. Приставка изо- как раз говорит о ее изоляционных свойствах, то есть она не проводит электрический ток. Вот и органы ската, генерирующие электрический разряд, покрыты таким типом изоляционной соединительной ткани, которая не проводит ток. Всего-то и делов! 

В этой статье мы как раз поговорим об особенностях веществ, проводящих и непроводящих электрический ток. 

Проводник. Полупроводник. Диэлектрик 

Если есть проводник, значит, есть и «непроводник»? Для начала разберемся в названиях. Давайте вспомним, что такое электрический ток. Более подробно об этом вы можете узнать в статье «Законы постоянного тока». 

Электрический ток — это направленное движение частиц (носителей электрического заряда).  

Какие вещества могут проводить электрический ток? Те, в которых есть чему «двигаться». Если в веществе есть достаточное количество свободных носителей заряда, то оно хорошо проводит ток, а если таковых вовсе нет, то вещество — «непроводник». 

Что может быть носителем заряда? Наиболее известные из них — это положительно и отрицательно заряженные частицы, которые мы разбирали в статье «Электростатика»:

• Электроны — заряженные частицы, которые имеют самый маленький отрицательный заряд.
• Протоны — положительно заряженные частицы.
• Анионы — отрицательный ион.
• Катионы — положительный ион.

В зависимости от наличия таких «носителей», вещества будут отличаться по способности проводить электрический ток.

Основная характеристика, отличающая проводники от диэлектриков – это сопротивление, то есть, буквально, способность сопротивляться пропусканию электрического тока. Но как сильно сопротивления разных материалов отличаются?

• Сопротивление одного метра проводника лежит в диапазоне от \(0\) до \(10^{-6}\) Ом в зависимости от материала. 
• Сопротивление диэлектрика же может быть от \(10^8\) Ом и выше. 
• Полупроводники занимают среднее положение между проводниками и диэлектриками, поэтому их значение сопротивления приходится на диапазон от \(10^{-6}\) до \(10^8\)Ом.

Почему полупроводник похож на сыр? Как мы уже вспоминали выше, ток — движение частиц. Когда по полупроводнику начинает проходить электрический ток, некоторые электроны приходят в движение. Иными словами, покидают свои «насиженные места». А на их месте остается так называемая дырка — условный положительный заряд (недостаток отрицательного заряда). Дырки сами по себе никуда не перемещаются, а лишь колеблются на своих местах. Однако, так как электроны постоянно движутся под действием тока, дырки появляются то там, то там — это и принято условно считать перемещением положительного заряда. Дырок в полупроводнике много, поэтому для облегчения запоминания можно сравнить его с сыром.

И вот, например, ток из розетки передается аккумулятору нашего телефона при зарядке благодаря проводнику внутри провода. Но нас не бьет током, когда мы его касаемся благодаря диэлектрическим (изоляционным) свойствам корпуса телефона и резиновой обмотки провода. 

Электрический ток может вести себя по-разному. И зависеть это будет от среды, в которой он будет протекать. Давайте рассмотрим «поведение» тока при различных условиях. 

Электрический ток в металлах

Металлы почти всегда отличные проводники. Не будем сильно углубляться в химию, но просто запомним, что в их структуре много подвижных электронов. 

Поэтому если поместить металлический проводник в электрическое поле, то свободные электроны станут перемещаться к положительному полюсу, потому что заряжены отрицательно (противоположные заряды притягиваются). Происходит разделение зарядов — какая-то часть проводника будет заряжена отрицательно из-за переизбытка электронов, а какая-то положительно из-за их недостатка. 

Самый банальный пример применения металлов в качестве проводников — это провода. Именно с помощью проводов соединяются как наши розетки с линиями электропередач, так и все наши бытовые устройства с этими же розетками. 

Но вы скажете, раз они сделаны из металла, почему они так просто гнутся и внешне даже на него не похожи? Дело в том, что мы видим лишь изоляцию проводов, сами же металлические провода скрыты под ней, чтобы нас случайно не ударило током. А гнутся они потому, что вещества, из которых они сделаны, очень мягкие (медь, например), а к тому же сами провода тонкие.

Электрический ток в электролитах

Электролиты — это расплавы металлов, водные растворы солей, кислот, которые могут проводить электрический ток.

Некоторые вещества при определенных условиях способны распадаться на свободные положительно заряженные частицы — катионы, и отрицательно заряженные — анионы. Вот они-то и становятся носителями заряда для тока. То есть электрический ток в электролитах представляет собой направленное движение положительных и отрицательных ионов. Таким образом, электролиты являются хорошими проводниками.

Например, в раствор электролита опускают два провода/пластины, подключенные к источнику тока. Их называют электроды. Один из них будет со знаком «-», другой — «+». Положительные ионы раствора будут двигаться в направлении отрицательного электрода (катода), а отрицательные — в направлении положительного электрода (анода).

Сейчас мы описали опыт, но такой принцип работы часто используется в промышленности. Например, очистка сточных вод от вредных тяжелых металлов. Именно так можно и получать эти тяжелые металлы (если они нужны).

Нам осталось рассмотреть поведение тока в газах. Что же тут интересного? Как минимум яркое и необычное проявление в окружающем нас мире! Об этом в следующем разделе нашей статьи.

Электрический ток в газах 

Газы, состоящие из нейтральных (незаряженных) молекул, не проводят электрический ток. Они становятся проводниками только при ионизации.

Ионизация — это процесс распада молекул газа на положительно и отрицательно заряженные частицы: электроны и протоны или анионы и катионы, что происходит обычно под действием ионизатора — излучения или нагрева газа. 

Прохождение электрического тока через газ называется газовым разрядом.

• Несамостоятельный газовый разряд — это разряд, который существует только под действием внешних ионизаторов: нагревание, воздействие ультрафиолетового и других видов излучения.
• Самостоятельный газовый разряд — это разряд, который сохраняется после прекращения действия внешнего ионизатора.

Типы самостоятельных газовых разрядов:

1. Искровой — возникает при большой напряженности электрического поля. Что такое напряженность электрического поля? Говоря простыми словами, это характеристика силы, с которой поле воздействует на заряд, помещенный в него. Именно такой тип разряда мы видим, когда сверкает молния.

2. Тлеющий — возникает при низких давлениях. В нашем случае под давлением мы понимаем давление газа, а именно, когда его давление во много раз меньше, чем атмосферное. Например, данный тип разряда используется в ярких неоновых вывесках и даже в самых обычных лампочках.

3. Дуговой — возникает между близко расположенными электродами. Например, сварочный аппарат работает на основе дугового разряда.

4. Коронный — возникает при высоком давлении с резко выраженной неоднородностью электрического поля вблизи острых предметов. Обычно самостоятельный разряд можно наблюдать, например, вокруг мачты корабля или концов крыльев самолета. При определенных условиях они начинают светиться красивым фиолетовым цветом. 

Как пассажирский самолет чуть не упал из-за электрического разряда? Иногда коронный газовый разряд сопровождается треском. Такое явление получило название «Огни святого Эльма». Его трудно запечатлеть, поэтому можем привести только аналог изображения компьютерной реконструкции происшествия, известного как Джакартский инцидент.  В 1982 году пассажирский самолет Boeing 747 попал в облако вулканического пепла от внезапного извержения вулкана Галунггунг. Второй пилот и бортинженер заметили огни святого Эльма на ветровом стекле. Несмотря на то, что у самолета один за другим заглохли все 4 двигателя, экипажу удалось посадить самолет, никто не пострадал.

Мы поговорили о том, как протекает электрический ток в различных проводниках. Но как они ведут себя в электростатическом поле? Давайте выясним!

Проводники в электростатическом поле

Основная особенность всех проводников – наличие свободных зарядов, за счет которых и возможен электрический ток – направленное движение этих свободных зарядов. Заряды называются свободными потому, что они могут перемещаться по всему объему проводника. 

Если рассматривать проводник в отсутствии внешнего электрического поля, то в любом определенном объеме будет содержаться одинаковое количество положительных и отрицательных зарядов, то есть они друг друга компенсируют – общий заряд равен 0. 

Однако если поместить проводник во внешнее электрическое поле, то свободные заряды перераспределятся по объему проводника, в результате чего на поверхности проводника появится нескомпенсированный положительный или отрицательный заряд. 

Процесс перераспределения электрического заряда в проводнике называется электростатической индукцией, а нескомпенсированный заряд – индукционным зарядом. 

Как это работает? Здесь нужно вспомнить третий закон Ньютона в «неформальной» формулировке – действие вызывает противодействие. Как только мы вводим наш проводник во внешнее электрическое поле \(E_0\), свободные заряды хотят на внешнее действие оказать противодействие, скапливаются на поверхности так, чтобы создать свое электрическое поле \(E\) , которое будет компенсировать внешнее. То есть: 

\(E_0 + E = 0\)

Таким образом, в проводниках во внешнем электрическом поле напряженность (E) поля равна нулю. 

Когда мы говорим о том, что напряженность в проводнике равна нулю, то нам не важно, что за проводник перед нами, в том числе полый он или сплошной. 

Представим шар и сферу. Первый геометрический объект сплошной (как снежный комок, он весь состоит из снега), а второй – полый, то есть внутри него пустота (как елочная игрушка, имеет только стенки). Так вот, если они оба сделаны из проводящего материала, то напряженность поля внутри будет нулевая. 

На основе этого факта работает удивительная методика защиты электроприборов от электрических полей.

Электростатическая защита

Мы с вами не слишком-то ощущаем электрические поля, которые распространяют от себя все электроприборы, начиная от чайника, и даже наша планета Земля. А вот сами электроприборы очень к ним чувствительны, и их качественная работа может быть нарушена внешним электрическим полем. Как же нам защитить прибор от пагубного влияния полей? 

Если вспомнить, что внутри проводника электрического поля нет, то можно поместить наш прибор внутрь проводника. Действительно, на практике чувствительные электроприборы помещают внутрь решеток из металла, таким образом спасая их от влияния внешних полей.

Если мы заговорили про напряженность, то обойти стороной потенциал не получится. Давайте вспомним, что потенциал электрического поля – мера потенциальной электрической энергии, которая запасена в теле. Разность потенциалов между двумя точками есть напряжение между ними. А где есть напряжение и проводник, там и электрический ток. Тогда как обстоят дела с потенциалом собственного поля проводника во внешнем электрическом поле?

Если внутри и на поверхности проводника нет электрического поля, то и потенциал в каждой точке проводника будет одинаков. Почему поля нет, а потенциал есть? Потому что потенциал, а вернее разность потенциалов между любыми двумя точками проводника, показывает лишь направление движения зарядов. Из области с большим потенциалом заряды стремятся в область с меньшим. Если электрического поля нет, то и движения зарядов нет, а следовательно, и потенциал в каждой точке проводника одинаков, то есть разность потенциалов между любыми двумя точками проводника равна нулю. Но это совсем не значит, что и сами потенциалы равны нулю, ведь заряды на поверхности проводника все еще есть. 

И вот на горизонте у нас появляются диэлектрики. Их не стоит обходить стороной, так как на экзамене могут встретиться задачи на эту тему, одну из которых мы решим прямо в этой статье. 

Диэлектрики

Еще раз вспомним, что это такое? 

Диэлектрик — вещество, которое практически НЕ проводит электрический ток.

А получается так потому, что в диэлектрике вместо свободных зарядов (то есть электронов) находятся диполи. Это такие своеобразные «гантельки‎», с одной стороны которых находятся положительные заряды, а с другой — отрицательные.

Эти гантельки могут поворачиваться как угодно, то есть если мы приблизим к диэлектрику с левой стороны положительно заряженное тело, то все гантельки повернутся отрицательной стороной налево (а значит, положительной — направо). Это явление называется поляризацией диэлектриков.

Почему бы нам не решить одну задачу на эту тему? Подобная может встретиться в №15 и №24 КИМ ЕГЭ.

Задача.В однородное электрическое поле поместили два нейтральных пластиковых кубика и сблизили их (1 рисунок). После этого кубики раздвинули (2 рисунок). Объясните, каким образом будут ориентированы диполи кубиков до и после разъединения.

Решение.
Сначала разберемся с тем, как ориентировано электрическое поле. Линии напряженности всегда распространяются от положительного полюса к отрицательному, поэтому с левой стороны будет «+», а с правой «–».

Раз слева будет положительный полюс, то диполи будут поворачиваться отрицательной частью «гантельки» к нему. То есть на первом рисунке диполи обоих кубиков ориентированы отрицательной стороной влево, а положительной — вправо. Но в центре они компенсируют друг друга. Поэтому останется только «-» в левой части и «+» в правой.

После разъединения кубики станут уже самостоятельными, поэтому что в кубике А, что в кубике Б диполи прижмутся отрицательной стороной влево, а положительной — вправо.

Ответ: до разъединения заряд кубиков будет только по внешним краям — слева «-», а справа — «+». После разъединения диполи в обоих кубиках прижмутся отрицательной стороной влево, а положительной — вправо.

Возможно ли получить идеальный диэлектрик? Идеальный диэлектрик — это вакуум, в котором нет ничего, в том числе и носителей заряда. Но в обычных условиях получить его практически невозможно, потому что на Земле всегда есть какая-нибудь среда, тот же воздух является средой, поэтому получают идеальный вакуум в специальных лабораториях.  Полностью очищенная (дистиллированная) вода также является отличным диэлектриком. Но и она не существует в природе. Важно помнить, что любые примеси в воде делают ее отличным проводником. Именно поэтому нельзя находиться в ванне с телефоном, особенно который подключен к зарядке.

Но что же происходит с диэлектриком во внешнем электрическом поле?

Диэлектрики в электростатическом поле

Как мы помним, в проводниках есть свободные заряды, которые могут перемещаться по всему объему проводника и тем самым компенсировать внешнее электрическое поле. 

В диэлектриках все немного иначе, они состоят из нейтральных атомов или молекул, в которых заряженные частицы связаны друг с другом и не могут перемещаться по объему. 

Однако интерпретированный третий закон Ньютона все еще работает, и заряды стремятся создать свое электрическое поле внутри диэлектрика, которое ослабит внешнее. Из-за этого диполи, о которых мы говорили выше, поворачиваются внутри диэлектрика и создают на поверхности избыточный нескомпенсированный связанный заряд.

Связанный заряд – это нескомпенсированный избыточный заряд на поверхности диэлектрика. 

При этом сами заряженные частицы никуда от своих атомов не убегают. Этот процесс поворота диполей и образования связанных зарядов на поверхности диэлектрика называется поляризацией. Да-да, именно об этом механизме мы говорили подробнее пару абзацев выше.

Поляризация – процесс поворота диполей диэлектрика во внешнем электрическом поле.

Наше уравнение напряженностей остается верным лишь с той поправкой, что собственное электрическое поле диэлектрика \(E’\) теперь не может полностью компенсировать внешнее \(E’ <E_0\) и после прохождения через диэлектрик внешнее электрическое поле ослабевает. Итого, внутри диэлектрика электрическое поле вычисляется по следующей формуле:

\(E = E_0-E’\)

Величина, характеризующая ослабление внешнего электрического поля после прохождения через диэлектрик, называется диэлектрической проницаемостью среды (\(\varepsilon\)). 

\(\varepsilon=\frac{E_0}{E}\)

Более подробно мы обсуждаем ее в статье «Конденсаторы».

Благодаря своим свойствам диэлектрики получили большое применение в жизни. Они позволяют приостановить продвижения тока и тем самым ограничить его воздействие на людей. Это очень важный компонент, без которого не смогли бы существовать половина приборов и машин.

Полупроводниковые приборы

У нас остался еще один вид приборов, которые не являются ни проводниками, ни диэлектриками, то есть что-то среднее между ними, именно их мы сейчас и рассмотрим.

Полупроводниковые приборы — это приборы, состоящие из веществ, которые частично проводят электрический ток.

Они входят в состав большого количества цифровых устройств, которыми мы так часто пользуемся. Цифровые приборы (телевизоры, телефоны и т.д.) играют большую роль в современной жизни. Практически во всех областях применения есть устройства, которые работают на полупроводниках: бытовые, промышленные приборы, детские игрушки, видео- и радиотехника.

Полупроводниковый диод

Рассмотрим так называемый полупроводниковый диод. Диоды пропускают ток преимущественно в одном направлении. Они применяются для выпрямления тока (его преобразования из переменного в постоянный) в различных электронных устройствах, например, в сотовых телефонах и телевизорах.

На электрической схеме полупроводниковый диод обозначается так:

При одной и той же величине напряжения обратный ток во много раз меньше прямого.

Задачи с диодами могут встретиться в КИМ №24 ЕГЭ, одну из задач на эту тему мы сейчас решим.

Задача. Миша и Рома на лабораторной работе собрали электрическую цепь, состоящую из ключа, двух источников тока, двух одинаковых лампочек Л1 и Л2, а также двух диодов Д1 и Д2. Опираясь на свои знания по физике, объясните, какие изменения произойдут в работе этой цепи, если перевести ключ К из положения 1 в положение 2.

Решение.
Рассмотрим случай, когда ключ находится в положении 1. Здесь ток протекает через левую часть цепи (от плюса к минусу). При этом протекает он беспрепятственно, так как диод Д1 ориентирован по направлению тока в цепи, лампочка Л1 загорается. 

Лампочка Л2 не загорится, так как диод Д2 ориентирован противоположно направлению тока в цепи. Аналогичная цепь представлена на рисунке ниже, диод Д1 можно не учитывать, так как, раз он направлен по направлению тока, то имеет бесконечно малое сопротивление, что эквивалентно пустому проводу.

Во втором случае ток протекает через правую часть цепи, в этот раз загорится лампочка Л2, так как диод Д2 ориентирован по направлению тока. А вот лампочка Л1 не загорится, так как диод Д1 ориентирован противоположно направлению тока в цепи. Равнозначная цепь представлена на рисунке:

Ответ: в первом случае загорится лампочка Л1, а во втором Л2.

Электрический ток в средах несет в себе множество загадок, ведь сред много, да и протекание тока — непростое физическое явление. Возьмем те же полупроводники: вещества могут быть невероятно малы, но приносить огромную пользу, без преувеличения, для всего человечества! То же самое мы можем сказать и про диэлектрики, и про проводники. В повседневной жизни мы их не замечаем, но фактически сталкиваемся с ними каждый день. 

Самое интересное — это не предел! Данные приборы можно совершенствовать, в настоящее время они действительно двигают львиную долю прогресса. Например, про один из самых удивительно простых и нужных приборов вы можете прочитать в статье  «Конденсаторы», ждем вас!

Термины

Ион — это заряженная частица, которая образуется из атома или группы атомов после отдачи или присоединения электронов.

Напряженность электрического поля — векторная физическая величина, численно равная отношению силы, действующей на заряд, помещенный в данную точку данного поля, к величине этого заряда.

Ультрафиолетовое излучение — это невидимое для глаз электромагнитное излучение, основным источником которого является солнце.

Электрическое поле — это поле, которое окружает каждый электрический заряд и оказывает воздействие на все другие заряды, притягивая или отталкивая их.

Фактчек

• Вещества, не проводящие электрический ток, называются диэлектрики. В них нет свободных носителей электрического заряда.
• Вещества, способные хорошо проводить электрический ток — проводники. 
• Количество свободных зарядов в веществе может зависеть от внешних условий (температуры, напряженности электрического поля). Такие вещества называются полупроводниками.
• Электролиты — это расплавы металлов, водные растворы солей, кислот, которые могут проводить электрический ток.  
• Процесс, при котором молекула распадается на положительно и отрицательно заряженные частицы, называется ионизацией.
• Прохождение электрического тока через газ называется газовым разрядом.
• Процесс перераспределения электрического заряда в проводнике называется электростатической индукцией.
• В проводниках во внешнем электрическом поле напряженность поля равна нулю.
• Во внешнем электрическом поле потенциал в каждой точке проводника будет одинаков.
• Процесс поворота диполей диэлектрика во внешнем электрическом поле называется поляризацией.

Проверь себя

Задание 1.
Как называются вещества, которые хорошо проводят электрический заряд?

1. проводники
2. диэлектрики
3. полупроводники
4. дырки

Задание 2.
Что из перечисленного относится к диэлектрикам?

1. вода питьевая
2. серебро
3. вакуум
4. золото

Задание 3.
Что из перечисленного относится к проводникам?

1. вода питьевая
2. серебро 
3. вакуум
4. золото

Задание 4.
Как называются вещества, в которых количество свободных электронов зависит от внешних условий?

1. проводники
2. полупроводники
3. диэлектрики
4. недопроводники

Задание 5.
Пропускает ли диод ток?

1. нет, конечно
2. да, но только в одну сторону 
3. смотря какая электрическая цепь собрана
4. как захочет  

Ответы: 1. — 1; 2. — 3; 3. — 1, 2, 4; 4. — 2; 5. – 2.