Физика · ЕНТ 2026 · 03. Электричество и магнетизм
Электрический ток в различных средах
Чтобы пройти тест, нужно войти или зарегистрироваться.
Конспект
Учебниковая опора
- Кронгарт Б. А., Насохова Ш. Б. «Физика. 8 класс», 8 класс, Мектеп, 2018, с. 142–145
- Кронгарт Б., Казахбаева Д., Иманбеков О., Кыстаубаев Т. «Физика. 10 класс ЕМН», 10 класс, Мектеп, 2019, с. 209–222
- Томский политехнический университет, «Лекция 8: Электрический ток в вакууме и газах, в жидкостях», https://portal.tpu.ru/SHARED/e/EIKUPREKOVA/Teaching/PHYSICS_U/Lectures%20(presentations)/Лекция%208.pdf
- Валянский С. И., НИТУ МИСИС, лабораторная работа № 2-13 «Законы электролиза Фарадея», https://haproxy.msk.misis.ru/files/-/af64c660e05bbe42e4007cdb0cc51a1d/%E2%84%962-13_%D0%97%D0%B0%D0%BA%D0%BE%D0%BD%D1%8B_%D1%8D%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%BB%D0%B8%D0%B7%D0%B0_%D0%A4%D0%B0%D1%80%D0%B0%D0%B4%D0%B5%D1%8F.pdf
- NIST, CODATA, «Faraday constant», https://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?f
- urok.1sept.ru («Первое сентября»), презентация «Электрический ток в газах», https://urok.1sept.ru/file/01/a0/22/9c/01a0229c-dd28-7e93-9180-d1d826959028/presentation.pdf
Главное
| Среда | Носители тока | Особенности |
|---|---|---|
| Металлы | свободные электроны | $R$ растёт с нагреванием; сверхпроводимость при $T < T_c$ |
| Полупроводники | электроны и дырки | $R$ падает при нагревании и освещении; примесная проводимость $n$- и $p$-типа |
| Электролиты | положительные и отрицательные ионы | электролиз, закон Фарадея $m = kIt$ |
| Газы | ионы и электроны | нужен ионизатор или ударная ионизация |
| Вакуум | электроны | термоэлектронная эмиссия с нагретого катода |
Теория
Металлы. Носители — свободные электроны («электронный газ»); электронную природу тока доказал опыт Толмена и Стюарта. Сопротивление металлов растёт с температурой: $\rho = \rho_0(1 + \alpha\Delta T)$.
Сверхпроводимость — скачкообразное падение сопротивления до нуля ниже критической температуры $T_c$. Открыта Х. Камерлинг-Оннесом в 1911 г. на ртути при 4,2 К. Эффект Мейснера — полное выталкивание магнитного поля из сверхпроводника.
Полупроводники. Собственная проводимость создаётся электронами проводимости и дырками; при нагревании или освещении она резко возрастает (в отличие от металлов). Примеси: донорные дают электронную проводимость ($n$-тип), акцепторные — дырочную ($p$-тип). $p$–$n$-переход обладает односторонней (вентильной) проводимостью; на нём основаны диоды, транзисторы, фотоэлементы.
Электролиты. Дистиллированная вода ток не проводит — в ней нет свободных зарядов. При растворении солей, кислот, щелочей молекулы распадаются на ионы (электролитическая диссоциация), проводимость ионная. Прохождение тока сопровождается химическими реакциями на электродах — электролизом.
Закон Фарадея: масса выделившегося вещества пропорциональна прошедшему заряду: $m = kq = kIt,\qquad k = \frac{M}{zF},\qquad F = eN_A = 96\,485\ \text{Кл/моль}.$ $k$ — электрохимический эквивалент (масса вещества, выделяемая зарядом 1 Кл), $z$ — валентность.
Применение электролиза: рафинирование металлов, гальваностегия (никелирование, хромирование), гальванопластика (Б. С. Якоби), анодирование, очистка воды, электрохимическая заточка.
Газы. Газ в обычных условиях — диэлектрик. Ток возникает, когда есть ионы и электроны: при действии внешнего ионизатора — несамостоятельный разряд; при ударной ионизации в сильном поле — самостоятельный (тлеющий, искровой, дуговой, коронный).
Вакуум. Ток создают электроны, вылетающие из нагретого катода, — термоэлектронная эмиссия.
Второй закон Фарадея и газовый разряд
- При одном и том же количестве электричества массы выделившихся веществ пропорциональны их химическим эквивалентам (для атомарного вещества — атомная масса, делённая на заряд иона). Постоянная Фарадея $F\approx96\,500$ Кл/моль.
- Самостоятельные разряды: тлеющий — при низком давлении и малом токе; искровой — кратковременные яркие каналы, температура до 10 000 К; дуговой — при большой силе тока и небольшом напряжении; коронный — при атмосферном давлении в неоднородном поле.
Формулы
| Величина | Формула |
|---|---|
| Закон Фарадея | $m = kIt$ |
| Электрохимический эквивалент | $k = \dfrac{M}{zF}$ |
| Сопротивление металла | $\rho = \rho_0(1 + \alpha\Delta T)$ |
Примеры
- Никелирование. $I = 4$ А, $t = 30$ мин = 1800 с, $k = 3{,}04\cdot10^{-7}$ кг/Кл: $q = 7200$ Кл, $m = kq \approx 2{,}19$ г.
- Алюминий. $I = 4$ А, $t = 20$ мин = 1200 с, $k = 0{,}0932$ мг/Кл: $m = 0{,}0932\cdot4\cdot1200 \approx 447$ мг ≈ 0,447 г.
- Ток по массе серебра. За 10 мин выделилось 0,67 г серебра ($k_{Ag} \approx 1{,}12$ мг/Кл): $I = \dfrac{m}{kt} = \dfrac{670}{1{,}12\cdot600} \approx 1$ А.
- Качественная задача. Как меняется сопротивление полупроводника при нагревании? — Уменьшается: растёт число свободных носителей (электронов и дырок). У металла — наоборот, растёт.
Типичные ошибки на ЕНТ
- Считают, что ток в электролитах переносят электроны (переносят ионы).
- Путают зависимость $R(T)$: у металлов растёт, у полупроводников падает.
- Путают типы примесей: донорная — $n$-тип (электроны), акцепторная — $p$-тип (дырки).
- Забывают переводить минуты в секунды и мг в кг в законе Фарадея.
- Считают, что у сверхпроводника сопротивление «очень мало», а не равно нулю.
- Путают несамостоятельный и самостоятельный разряд.
Самопроверка
- Кто и когда открыл сверхпроводимость? — Камерлинг-Оннес, 1911 г., ртуть при 4,2 К.
- Какое свойство $p$–$n$-перехода используется в диоде? — Односторонняя (вентильная) проводимость.
- Как изменится масса выделившегося вещества, если ток увеличить вдвое при том же времени? — Увеличится вдвое.
- Что такое термоэлектронная эмиссия? — Вылет электронов из нагретого катода.
- Почему дистиллированная вода не проводит ток? — В ней нет свободных ионов.