1.1.2 Физическая природа электрического тока

Установлено, что атомы, у которых последний слой полностью заполнен электронами, представляют собой довольно прочную конструкцию. Они не могут ни терять своих электронов, ни всту­пать в соединение с другими веществами. Веществами, атомы ко­торых имеют полностью заполненный последний слой, являются элементы восьмой группы — газы гелий, аргон, неон и другие. Их называют инертными газами.

Если в последнем слое атома число электронов несколько мень­ше полного (фтор, хлор), то они также прочно связаны с ядром и также не отдают своих электронов, а могут лишь присоединить к себе атомы с малым числом электронов в последнем слое, обра­зуя новые химические соединения (например, хлор+натрий=хлористый натрий).

Если же число электронов в последнем слое намного отлича­ется от полного их числа, то некоторые электроны этого слоя (вследствие экранирующего действия электронов, ближних к ядру слоев) слабо связаны со своим ядром. Эти электроны могут легко оторваться от ядра и становятся так называемыми свободными электронами.

Свободные электроны под действием притяжения ядер других атомов с большими скоростями беспорядочно движутся между атомами и могут попасть в систему любого другого атома, поте­рявшего часть своих электронов. Образование и исчезновение сво­бодных электронов в телах происходит постоянно. Веществами, атомы которых легко теряют часть своих электронов, являются металлы, их сплавы, углерод, водород.

Несмотря на наличие внутри тела свободных электронов, оно остается незаряженным, так как общее количество положитель­но и отрицательно заряженных элементарных частиц в веществе остается неизменным, а суммарный отрицательный заряд их равен положительному.

Возьмем два металлических тела и установим их на изолирую­щих подставках. Наэлектризованными стеклянной или каучуковой палочками сообщим одному телу положительный, а другому — отрицательный заряд. Если соединить металлической проволокой оба тела, то свободные электроны будут перемещаться от отрица­тельно заряженного к положительно заряженному телу. Электро­ны будут как бы отталкиваться от одного тела и притягиваться к другому. Движение электронов по проволоке будет происходить и в том случае, если оба тела имеют одноименный заряд, но коли­чество зарядов на единицу поверхности различно. При этом сво­бодные электроны движутся в одном направлении — вдоль прово­локи, т. е. упорядоченно. Такое направленное упорядоченное дви­жение электрических зарядов, по проводнику называется электри­ческим током.

Для создания электрического тока и поддержания его в при­соединенном проводнике необходим источник тока. В нашем при­мере это были два тела, имеющие разноименные заряды. На прак­тике в качестве источников тока используют гальванические эле­менты, термоэлементы, аккумуляторы, генераторы постоянного и переменного тока и др.

За единицу количества электричества, прошедшего по провод­нику, принят кулон. Кулон равен 6,29-10¹⁸ зарядов электронов.

1.1.3 Проводники, полупроводники и диэлектрики

В зависимости от электрических свойств все вещества делят на три основные категории: проводники, полупроводники и диэлек­трики.

Диэлектриками (изоляторами) называют такие вещества, у ко­торых при нормальных условиях количество свободных электро­нов и ионов ничтожно мало. Поэтому они практически не прово­дят электрический ток. К диэлектрикам относятся слюда, стекло, фарфор, резина, эбонит, лаки, минеральные масла и др.

Полупроводниками называют группу веществ, которая по электропроводности занимает промежуточное положение между диэлектриками и проводниками электрического тока. К полупро­водникам относятся германий, кремний, селен, окислы некоторых металлов и др. Более подробно о них будет сказано во второй главе.

Проводниками называют вещества, хорошо проводящие элек­трический ток. Различают проводники электрического тока пер­вого и второго рода.

К проводникам первого рода относятся металлы и их сплавы: медь, алюминий, серебро, латунь, бронза и другие. Растворы солей, кислот, щелочей, именуемые электролитами, относятся к провод­никам второго рода. Деление на проводники первого и второго рода обусловлено различными видами проводимости.

Проводники первого рода имеют большое количество свобод­ных электронов и обладают электронной проводимостью. Электри­ческий ток в них создается за счет движения свободных элек­тронов.

Проводники второго рода (электролиты) содержат много ионов; для них характерна ионная проводимость. Ток в проводни­ках второго рода создается за счет движения положительно и от­рицательно заряженных ионов. Так, нейтральная молекула вод­ного раствора едкого кали КОН распадается на положительный ион калия К+ и отрицательный ион водного остатка ОН¯. Ионы электролита являются переносчиками электрических зарядов. Если в раствор едкого кали КОН поместить две металлические пластины и соединить одну с плюсом, а другую с минусом источ­ника тока, то положительные ионы будут двигаться к отрицатель­ной пластине (катоду), а отрицательные — к положительной плас­тине (аноду).

Отдельно следует сказать о проводимости газов. Электриче­ский ток в газе может существовать в том случае, если газ иони­зирован, т. е. в нем есть положительно и отрицательно заряжен­ные ионы. Положительные ионы в газе будут двигаться к отрица­тельному электроду (катоду), а отрицательные ионы и элект­роны — к положительному электроду (аноду).