egp-3.4· Глава 3: Электродинамика· ~13 мин

Электрический ток в веществах

Ток в металлах, жидкостях (электролиз), газах и полупроводниках; закон Фарадея

Электрический ток в различных средах создаётся движением разных носителей заряда. В металлах носители заряда — свободные электроны; с ростом температуры сопротивление возрастает по закону R=R0(1+α⋅Δt)R = R_0(1 + \alpha \cdot \Delta t). В растворах электролитов (кислоты, щёлочи, растворы солей) ток переносится положительными и отрицательными ионами; при прохождении тока через раствор на электродах выделяется вещество — это явление называется электролизом. Согласно закону электролиза Фарадея, масса выделившегося вещества прямо пропорциональна прошедшему заряду: m=k⋅q=k⋅I⋅tm = k \cdot q = k \cdot I \cdot t, где kk — электрохимический эквивалент. В газах ток возможен лишь при ионизации (газовый разряд); в полупроводниках носителями заряда служат как электроны, так и «дырки», и с ростом температуры их сопротивление убывает.

📌Пример

Например: если через раствор вещества с электрохимическим эквивалентом k=0,0001k = 0{,}0001 кг/Кл\text{кг/Кл} течёт ток I=2I = 2 А в течение t=100t = 100 с, то масса выделившегося вещества m=k⋅I⋅t=0,0001⋅2⋅100=0,02m = k \cdot I \cdot t = 0{,}0001 \cdot 2 \cdot 100 = 0{,}02 кг\text{кг} =20= 20 г.

Ключевые термины

Электролиз — Явление выделения вещества на электродах при прохождении тока через раствор.
Электрохимический эквивалент (kk) — Величина, показывающая массу вещества, выделяющегося при прохождении единичного заряда; единица измерения кг/Кл.
Ионная проводимость — Перенос тока в растворах электролитов положительными и отрицательными ионами.
Дырка — Вакантное место электрона в полупроводнике, выступающее в роли носителя положительного заряда.
Газовый разряд — Процесс возникновения тока в газе в результате его ионизации.
Температурный коэффициент сопротивления (α\alpha) — Коэффициент, показывающий относительное изменение сопротивления при изменении температуры на 1 градус; единица измерения 1/∘C1/{}^\circ\text{C}.
Основные формулы
ВеличинаОбозначениеФормулаЕдиница
Выделившаяся массаmmm=k⋅I⋅tm = k \cdot I \cdot tкг
Выделившаяся масса (через заряд)mmm=k⋅qm = k \cdot qкг
Электрохимический эквивалентkkk=m/qk = m/qкг/Кл
Сопротивление металлаRRR=R0(1+α⋅Δt)R = R_0(1 + \alpha \cdot \Delta t)Ω

Закон электролиза Фарадея и зависимость сопротивления металла от температуры.

Носители заряда в различных средах
СредаНоситель зарядаСопротивление при росте температуры
МеталлыСвободные электроныВозрастает
ЭлектролитыПоложительные и отрицательные ионы—
ГазыИоны и электроны—
ПолупроводникиЭлектроны и дыркиУбывает

В каждой среде ток переносится различными частицами.

✎Масса меди, выделившейся при электролизе
  1. 1Дано: k=0,00033k = 0{,}00033 кг/Кл, I=2I = 2 А, t=1000t = 1000 с.
  2. 2Формула: Закон Фарадея: m=k⋅I⋅tm = k \cdot I \cdot t.
  3. 3Вычисление: m=0,00033⋅2⋅1000=0,66m = 0{,}00033 \cdot 2 \cdot 1000 = 0{,}66 кг.
  4. 4Ответ: Масса выделившейся меди m=0,66m = 0{,}66 кг.
✎Сопротивление проводника при нагреве
  1. 1Дано: R0=10R_0 = 10 Ω, Δt=50 ∘C\Delta t = 50\ ^\circ\text{C}, α=0,004 1/∘C\alpha = 0{,}004\ 1/{}^\circ\text{C}.
  2. 2Формула: R=R0(1+α⋅Δt)R = R_0(1 + \alpha \cdot \Delta t).
  3. 3Вычисление: α⋅Δt=0,004⋅50=0,2\alpha \cdot \Delta t = 0{,}004 \cdot 50 = 0{,}2; R=10⋅(1+0,2)=10⋅1,2R = 10 \cdot (1 + 0{,}2) = 10 \cdot 1{,}2.
  4. 4Ответ: Новое сопротивление R=12R = 12 Ω.
🚫Частая ошибка

Не теряйте десятичную запятую: 0,00033⋅2⋅1000=0,660{,}00033 \cdot 2 \cdot 1000 = 0{,}66 кг, а не 6,6 или 0,066. Внимательно считайте порядки.

⚠️Внимание

Переводите время в секунды: если задано в минутах, берите t=мин⋅60t = \text{мин} \cdot 60 (например, 5 мин =300= 300 с), иначе масса окажется неверной.

⚠️Внимание

Если заданы напряжение и сопротивление, сначала найдите I=U/RI = U/R, затем подставьте в формулу m=k⋅I⋅tm = k \cdot I \cdot t.

💡Заметка

Масса ПРЯМО пропорциональна току: если II увеличится в 2 раза, выделившаяся масса тоже увеличится в 2 раза (не в квадрате).

🚫Частая ошибка

В металле с ростом температуры сопротивление ВОЗРАСТАЕТ; убывание характерно только для полупроводников — не путайте эти два случая.

Правила

  1. 1В металлах носитель заряда — свободный электрон; сопротивление R=R0(1+α⋅Δt)R = R_0(1 + \alpha \cdot \Delta t).
  2. 2В электролитах ток переносится ионами (ионная проводимость).
  3. 3Закон Фарадея: m=k⋅q=k⋅I⋅tm = k \cdot q = k \cdot I \cdot t (kk — электрохимический эквивалент).
  4. 4В газах ток возникает в результате ионизации (газового разряда).
  5. 5В полупроводниках носители заряда — электроны и дырки; с ростом температуры сопротивление убывает.

Тренировка

15 лёгких · 15 средних · 15 сложных

В каждом тесте — 10 случайных вопросов

ЛёгкийСреднийСложныйМикс