Содержание

• 1. Электрическая проводимость материалов
• 1.1 Понятие электропроводности
• 1.2 Виды электропроводности
• 2. Электрическая проводимость различных материалов
• 2.1 Электропроводность металлов
• 2.2 Электрическая проводимость газов
• 2.3 Электропроводность электролитов
• 2.4 Электропроводность плазмы
• 3. Диэлектрики и сверхпроводники
• 3.1 Понятие диэлектриков
• 3.2 Сверхпроводники

Список литературы

1. Электрическая проводимость материалов

1.1 Понятие электропроводности

Если соединить проволокой два проводника, между которыми была создана разность потенциалов, то потенциалы будут выравниваться, при этом заряды на проводниках перераспределяются, а в соединительной проволоке происходит направленное перемещение зарядов, называемые током. Ток под действием приложений разности потенциалов возникает в любой среде, где имеются свободные электроны.

Электрическая проводимость (э.п.) характеризует способность вещества проводить ток, она обратно пропорциональна электрическому сопротивлению, имеет размерность [Ом-1= См (сименс)]. Девис С, Джеймс А. Электрохимический словарь. М.: Мир, 2001. -594с.

1.2 Виды электропроводности

В зависимости от вида и природы зарядоносителей проводимость бывает электронной, ионной и дырочной.

Электронной проводимостью обладают металлы. Существует такая проводимость и в верхних слоях атмосферы, где плотность вещества невелика, благодаря чему электроны могут свободно перемещаться, не соединяясь с положительно заряженными ионами.

Жидкие электроны обладают ионной проводимостью. Ионы, являющиеся зарядоносителями, при движении перемещают вещество, в результате чего происходит выделение его на электродах.

Возможен механизм проводимости, обусловленный разрывом валентной связи, приводящим к появлению вакантного места с отсутствующей связью. Такое “пустые” место с отсутствующими электронами связи получило название - дырка. Возникновение дырки в кристалле проводника создаёт дополнительную возможность для переноса заряда. Этот процесс, сопровождающийся перемещением электронов, получил название дырочной проводимостью.

2. Электрическая проводимость различных материалов

2.1 Электропроводность металлов

Экспериментально показано, что в металлах ионы не принимают участия в перенесении электрических зарядов, так как в противном случае электрический ток обязательно сопровождался бы переносом материала, что не наблюдалась. В опытах с инерцией электронов было установлено, что электрический ток в металлах обусловлен упорядоченным движением свободных электронов. Горшков В.И., Кузнецов И.А. Основы физической химии. М.: Изд-во Моск. ун-та, 2003.-347с.

Если внутри металла нет электрического тока, то электроны проводимости совершают беспорядочное движение (тепловое): в каждый момент времени они имеют неодинаковые скорости и различные направления.

Суммарный заряд, проходящий через любую площадку внутри металла, в отсутствие внешнего поля равен нулю. Если к концам проводника присоединить разность потенциалов, т.е. создать внутри проводника поле напряженностью Э, то на каждый электрон будет действовать сила, направленная противоположно полю. В результате возникает электрический ток. На основании представлений об электрическом газе легко объясняется большая теплопроводимость металлов. В самом деле, свободные электроны, участвуя в тепловом движении и обладая большой подвижностью, будут способствовать выравниванию различий в температуре тела.

В металлах концентрация электронов проводимости почти не зависит от температуры. Существует группа материалов, в которых электрический ток также обусловлен перемещением свободных электронов, однако концентрация этих электронов зависит от температуры: удельное сопротивление таких материалов при понижении температуры сильно возрастает, а при повышении температуры - значительно уменьшается. Такие материалы являются электронными проводниками. К полупроводником относятся: кремний, германий, селен и многие соединения металлов с серой, селеном, теллуром, а также некоторые органические соединения. В полупроводниках, как и в металлах, при прохождении тока не происходит никаких химических изменений. Это свидетельствует о том, что ионы не принимают участия в перенесении зарядов.

Для того чтобы увеличить концентрацию свободных электронов в полупроводниках, необходимо затратить некоторую энергию для отрыва связанных электронов. Её называют энергией ионизации. При повышении температуры увеличивается количество электронов с тепловой энергией, превышающей, т.е. растёт доля свободных электронов.

С внешней стороны металлы, как известно, характеризуются прежде всего особым “металлическим” блеском, который обусловливается их способностью сильно отражать лучи света. Однако этот блеск наблюдается обыкновенно только в том случае, когда металл образует сплошную компактную массу. Правда, магний и алюминий сохраняют свой блеск, даже будучи превращенными в порошок, но большинство металлов в мелкораздробленном виде имеет черный или темно-серый цвет. Затем типичные металлы обладают высокой тепло- и электропроводностью, причем по способности проводить тепло и ток располагаются в одном и том же порядке: лучшие проводники - серебро и медь, худшие - свинец и ртуть. С повышением температуры электропроводность падает, при понижении температуры, наоборот, увеличивается.

Очень важным свойством металлов является их сравнительно легкая механическая деформируемость. Металлы пластичны, они хорошо куются, вытягиваются в проволоку, прокатываются в листы и т.п.

Характерные физические свойства металлов находятся в связи с особенностями их внутренней структуры. Согласно современным воззрениям, кристаллы металлов состоят из положительно заряженных ионов и свободных электронов, отщепившихся от соответствующих атомов. Весь кристалл можно себе представить в виде пространственной решетки, узлы которой заняты ионами, а в промежутках между ионами находятся легкоподвижные электроны. Эти электроны постоянно переходят от одних атомов к другим и вращаются вокруг ядра то одного, то другого атома. Так как электроны не связаны с определенными ионами, то уже под влиянием небольшой разности потенциалов они начинают перемещаться в определенном направлении, т.е. возникает электрический ток.

Наличием свободных электронов обусловливается и высокая теплопроводность металлов. Находясь в непрерывном движении, электроны постоянно сталкиваются с ионами и обмениваются с ними энергией. Поэтому колебания ионов, усилившиеся в данной части металла вследствие нагревания, сейчас же передаются соседним ионам, от них - следующим и т.д., и тепловое состояние металла быстро выравнивается; вся масса металла принимает одинаковую температуру.

2.2 Электрическая проводимость газов

В явлениях электрического разряда в газах большую роль играет ионизация атомов электронными ударами. Этот процесс заключается в том, что движущийся электрон, обладающий достаточной кинетической энергией, при соударении с нейтральным атомом выбивает из него один или несколько атомных электронов, в результате чего нейтральный атом превращается в положительный ион, а в газе появляются новые электроны (об этом будет рассмотрено позднее).

Механизм проводимости газов похож на механизм проводимости растворов и расплавов электролитов. При отсутствии внешнего поля заряженные частицы, как и нейтральные молекулы движутся хаотически. Если ионы и свободные электроны оказываются во внешнем электрическом поле, то они приходят в направленное движение и создают электрический ток в газах.

Таким образом, электрический ток в газе представляет собой направленное движение положительных ионов к катоду, а отрицательных ионов и электронов к аноду. Полный ток в газе складывается из двух потоков заряженных частиц: потока, идущего к аноду, и потока, направленного к катоду. Процесс прохождения электрического тока через газ называется газовым разрядом. Если электропроводность газа создается внешними ионизаторами, то электрический ток, возникающий в нем, называется несамостоятельным газовым разрядом. С прекращением действия внешних ионизаторов несамостоятельный разряд прекращается. Несамостоятельный газовый разряд не сопровождается свечением газа.

Электрический разряд в газе, сохраняющийся после прекращения действия внешнего ионизатора, называется самостоятельным газовым разрядом . Для его осуществления необходимо, чтобы в результате самого разряда в газе непрерывно образовывались свободные заряды. Основным источником их возникновения является ударная ионизация молекул газа.

Если после достижения насыщения продолжать увеличивать разность потенциалов между электродами, то сила тока при достаточно большом напряжении станет резко возрастать.

Это означает, что в газе появляются дополнительные ионы, которые образуются за счет действия ионизатора. Сила тока может возрасти в сотни и тысячи раз, а число заряженных частиц, возникающих в процессе разряда, может стать таким большим, что внешний ионизатор будет уже не нужен для поддержания разряда.

Положительные ионы, образовавшиеся при столкновении электронов с нейтральными атомами, при своем движении к катоду приобретают под действием поля большую кинетическую энергию. При ударах таких быстрых ионов о катод с поверхности катода выбиваются электроны. Физическая химия в вопросах и ответах. М.: Изд-во Моск. ун-та, 2001.-358с.

Кроме того, катод может испускать электроны при нагревании до большой температуры. Этот процесс называется термоэлектронной эмиссией. Его можно рассматривать как испарение электронов из металла. Во многих твердых веществах термоэлектронная эмиссия происходит при температурах, при которых испарение самого вещества еще мало. Такие вещества и используются для изготовления катодов.

При самостоятельном разряде нагрев катода может происходить за счет бомбардировки его положительными ионами. Если энергия ионов не слишком велика, то выбивания электронов с катода не происходит и электроны испускаются вследствие термоэлектронной эмиссии.

2.3 Электропроводность электролитов

Удельная электропроводность c [сопротивление-1длина-1] определяется количеством ионов, переносящих электричество ( с), где - степень диссоциации электролита, и их абсолютной подвижностью (u+, u-):

c  =.

Она численно равна проводимости слоя электролита, находящегося между двумя противоположными гранями куба единичной площади:

,

(F - число Фарадея, I - сила тока, U - разность потенциалов, l - длина проводника, s - площадь его поперечного сечения).

Эквивалентная электропроводность [сопротивление-1. длина 2. г-экв-1] - мера электрической проводимости всех ионов, образующихся при диссоциации 1 г-экв электролита при данной концентрации. Она соответствует э.п. такого объема раствора, в котором содержится 1 г-экв растворенного вещества и электроды находятся на единичном расстоянии друг от друга:

 = c ^. V = c /c. 

Эквивалентная электропроводность выражается через подвижности ионов +(-):

 = = ^. ( ₊ + _-) .

Эквивалентная электропроводность при бесконечном разведении - электропроводность гипотетического бесконечно разбавленного раствора, характеризующегося полной диссоциацией электролита и отсутствием сил электростатического взаимодействия между ионами. Она равна сумме предельных подвижностей катионов и анионов (закон Кольрауша):

= +.

Для растворов слабых электролитов =  . (уравнение Аррениуса),
для сильных , где A=const (эмпирический закон Кольрауша).

2.4 Электропроводность плазмы

Плазма - это частично или полностью ионизованный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы. Таким образом, плазма в целом является электрически нейтральной системой.

Количественной характеристикой плазмы является степень ионизации. Степенью ионизации плазмы a называют отношение объемной концентрации заряженных частиц к общей объемной концентрации частиц. В зависимости от степени ионизации плазма подразделяется на слабо ионизованную ( a составляет доли процентов), частично ионизованную ( a порядка нескольких процентов) и полностью ионизованную ( a близка к 100%). Слабо ионизованной плазмой в природных условиях являются верхние слои атмосферы - ионосфера. Солнце, горячие звезды и некоторые межзвездные облака - это полностью ионизованная плазма, которая образуется при высокой температуре.

Средние энергии различных типов частиц, составляющих плазму, могут значительно отличаться одна от другой. Поэтому плазму нельзя охарактеризовать одним значением температуры Т; различают электронную температуру Т е , ионную температуру Т i (или ионные температуры, если в плазме имеются ионы нескольких сортов) и температуру нейтральных атомов Т a (нейтральной компоненты). Подобная плазма называется неизотермической, в отличие от изотермической плазмы, в которой температуры всех компонентов одинаковы.

Плазма обладает рядом специфических свойств, что позволяет рассматривать ее как особое четвертое состояние вещества.

Из-за большой подвижности заряженный частицы плазмы легко перемещаются под действием электрических и магнитных полей. Поэтому любое нарушение электрической нейтральности отдельных областей плазмы, вызванное скоплением частиц одного знака заряда, быстро ликвидируется. Возникающие электрические поля перемещают заряженные частицы до тех пор, пока электрическая нейтральность не восстановится и электрическое поле не станет равным нулю. В отличие от нейтрального газа, между молекулами которого существуют короткодействующие силы, между заряженными частицами плазмы действуют кулоновские силы, сравнительно медленные убывающие с расстоянием. Каждая частица взаимодействует сразу с большим количеством окружающих частиц. Благодаря этому наряду с хаотическим тепловым движением частицы плазмы могут участвовать в разнообразных упорядоченных движениях. В плазме легко возбуждаются разного рода колебания и волны.

Проводимость плазмы увеличивается по мере роста степени ионизации. При высокой температуре полностью ионизованная плазма по своей проводимости приближается к сверхпроводникам.

Низкотемпературная плазма применяется в газоразрядных источниках света - в светящихся трубках рекламных надписей, в лампах дневного света. Газоразрядную лампу используют во многих приборах, например, в газовых лазерах - квантовых источниках света.

Высокотемпературная плазма применяется в магнитогидродинамических генераторах.

Недавно был создан новый прибор - плазмотрон. В плазмотроне создаются мощные струи плотной низкотемпературной плазмы, широко применяемые в различных областях техники: для резки и сварки металлов, бурения скважин в твердых породах и т.д. Курс физики. Л. С. Жданов, В. А. Маранджян. М.: Изд-во Моск. Университета, 2001.-264-285с.

3. Диэлектрики и сверхпроводники

3.1 Понятие диэлектриков

Поляризация - важнейшая характеристика диэлектрика. В зависимости от того, преобладает ли движение свободных зарядов, или происходит поляризация, вещества делятся на два класса - проводники и диэлектрики. В диэлектриках положительные и отрицательные заряды связаны друг с другом и не могут смещаться только в пределах одной молекулы (по-другому сказать, у диэлектриков целиком заполнена энергетическая зона). При отсутствии воздействия внешнего электрического поля заряды разных знаков распределены по объёму диэлектрика равномерно. Под действием внешнего поля заряды, входящие в каждую молекулу, смещаются в противоположных направлениях. Это смещение проявляется в виде появления зарядов на поверхности диэлектрика, помещенного в электрическое поле, - поляризация. Поляризация протекает по-разному, в зависимости от вида химической связи в веществе диэлектрика. Удельное сопротивление выше удельного сопротивления проводников.

3.2 Сверхпроводники

Нидерландский ученый Г. Камерлинг-Оннес в 1911 году, исследуя электропроводимость ртути при очень низких температурах, обнаружил явление сверхпроводимости. Оно состоит в том, что вблизи абсолютного нуля температура сопротивления ртути, свинца, цинка, алюминия и некоторых других чистых металлов и сплавов скачком уменьшается до нуля. Ток, возникший в замкнутом сверхпроводящем кольце, не исчезает в течение многих часов. Однако в сильных магнитных полях сверхпроводимость разрушается. При переходе в сверхпроводящее состояние основные механические и оптические свойства, а также коэффициент теплового расширения не изменяются. Герасимов Я.И. Курс физической химии. Т.1, 2. М.: Химия, 1998.-387с.

Список литературы

1. Герасимов Я.И. Курс физической химии. Т.1, 2. М.: Химия, 1998.-744с.

2. Горшков В.И., Кузнецов И.А. Основы физической химии. М.: Изд-во Моск. ун-та, 2003.-683с.

3. Девис С, Джеймс А. Электрохимический словарь. М.: Мир, 2001. -622с.

4. Кузнецова Е.М., В.М.Байрамов, Н.В.Федорович, В.Ф.Шевельков. Физическая химия в вопросах и ответах. М.: Изд-во Моск. ун-та, 2001.-674с.

5. Курс физики. Л.С. Жданов, В.А. Маранджян. М.: Изд-во Моск. Университета, 2001.-684с.