Elektrivool metallides ja elektrolüütide vesilahustes

Laetud ja laadimata elektroskoopi ühendavas metallvardas tekib elektrivool, sest osa laetud elektroskoobi elektrilaengust kandub mööda metallvarrast laetud elektros­koobilt laadimata elektroskoobile.

Mööda metallvarrast kandub osa elektrilaengust laetud elektroskoobilt laadimata elektroskoobile.

Kui elektroskoobid ühendada aga plastjoonlaua abil, siis elektrilaeng ühelt elektroskoobilt teisele ei kandu ja plastjoonlauas elektrivoolu ei teki.

Mööda plastjoonlauda elektri­laeng edasi ei kandu.

Metallvarras on elektrijuht, plastjoonlaud aga mittejuht. Kuna elektrivool tekib aines, milles on vabu laengukandjaid, siis elektrijuhid on ained, milles on suur hulk vabu laengukandjaid. Mittejuhis elektrivoolu ei teki, sest mittejuhis pole vabu laengu­kandjaid. Sõnal „elektrijuht” on edaspidi kaks tähendust. Selle sõnaga tähistatakse nii ainet kui ka keha, milles võib tekkida elektrivool.

Elektrijuhtideks on metallid ning soolade, hapete ja leeliste vesilahused. Vaatleme, millised laetud osakesed on vabadeks laengukandjateks metallides ja elektrolüütide vesilahustes.

Elektrivool metallides. Metallid on tahkes olekus kristallilise ehitusega. Aine­osakesed paiknevad kristallis korrapäraselt, moodustades kristallivõre. Kristallivõre ehitusest sõltub nii kristalli ilme kui ka kuju. Metalli kristallivõre sõlmedes paik­nevad positiivsed ioonid. Need on tekkinud metalli aatomitest, mis kristallivõre moodustumise ajal on loovutanud üks või kaks välise elektronkihi elektroni. Positiivsed ioonid võnguvad oma tasakaaluasendi ümber.

Vabad elektronid liiguvad metallis korrapära­tult positiivsetest ioonidest moodustunud kristallivõre sõlmedevahelises ruumis.

Kristallivõre sõlmedevahelises ruumis liiguvad vabad elektronid (vaata joonist). Vabadeks nimetatakse neid sellepärast, et nad ei ole seotud ühegi positiivse iooniga ja võivad seetõttu liikuda kogu metallitüki ulatuses. Vabad elektronid liiguvad korrapäratult tohutu suure kiirusega – umbes tuhat kilomeetrit sekundis.

Tavaliselt on suvaline metallitükk elektriliselt neutraalne. See tähendab, et metallis olevate vabade elektronide kogu negatiivne elektrilaeng on suuruselt võrdne kristallivõre ioonide kogu positiivse elektrilaenguga. Vabade elektronide korrapäratu liikumine metallis ei kujuta endast elektrivoolu. Elektrivoolust saab rääkida vaid siis, kui vabad laengukandjad liiguvad ühes kindlas suunas.

Et metallis oleks elektrivool, tuleb tekitada elektriväli. Elektriväljas mõjuvad vabadele laengukandjatele elektrijõud, mis panevad need kindlas suunas liikuma. Olgugi et elektrijõudude mõjul hakkavad vabad elektronid suunatult liikuma, jätkub ka nende korrapäratu liikumine. Iga vaba laengukandja liigub korrapäratult, kuid samal ajal kulgeb koos teistega ka ühes kindlas suunas. Vabade laengukandjate liikumine elektriväljas on sarnane sääseparve liikumisega ühest kohast teise soojal suveõhtul. Ka sääsed lendlevad ju parves siia-sinna, edasi-tagasi. Tuleb aga kerge tuuleiil – ja kogu kihav sääseparv kandub teise kohta. Metallides kujutab elektri­vool endast vabade elektronide suunatud liikumist.

Sääseparv suveõhtul

Kuna elektroni laeng on negatiivne, siis vooluallikaga ühendatud metalljuhis liiguvad vabad elektronid vooluallika negatiivselt pooluselt positiivsele. Vabade elektronide suunatud liikumine metallis on seega vastupidine elektrivoolu kokkuleppelisele suunale.

Vabade elektronide suunatud liikumise kiirus metallis on väga väike. Näiteks taskulambipirni patareiga ühendavas 1 mm² ristlõikepindalaga vaskjuhtmes on see vaid 0,02 mm/s. Nii aeglaselt liikuvatel osakestel kulub 1 cm pikkuse juhtmelõigu läbimiseks üle kaheksa minuti. Kuidas on laetud osakeste nii väikese liikumiskiiruse juures võimalik, et lamp sütib just lülitile vajutamise hetkel?

Küsimusele on lihtne vastata, kui lähtume metalli ehitusest. Juhtmetes ja lambi hõõgniidis on väga palju vabu elektrone, mis paiknevad ühtlaselt igal pool, nii lambi hõõgniidis kui ka lampi vooluallikaga ühendavates juhtmetes. Kuni lüliti on avatud, juhtmetes ja lambis elektrivälja pole. Vabad elektronid liiguvad korrapäratult ning elektrivool puudub. Kui lüliti sulgeda, levib elektriväli juhtmetes ja lambi hõõgniidis peaaegu hetkeliselt ning elektrijõudude mõjul hakkavad kõik vabad elektronid üheaegselt suunatult liikuma. Elektrivool tekib samaaegselt kogu juhi ulatuses. Selle­pärast sütibki lamp just lülitile vajutamise hetkel.

Elektrivoolu tekkimine metallis on sarnane sõdurite kolonni liikumahakkamisega. Kolonni rivistatud sõdurid on paigal ja ootavad käsklust liikumiseks. Kui see antakse, hakkavadki kõik üheaegselt marssima. Kui sõdureid kujutleda vabade elektronidena ja käsklust jõuna, mis nad liikuma paneb, saamegi ettekujutuse sellest, mis toimub metallis elektrivälja mõjul.

Pärast käsklust hakkavad sõdurid kõik ühes suunas ja üheaegselt liikuma.

Valame klaasi destilleeritud vett ja asetame sinna kaks suurt naela. Naelad ühendame juhtmete abil taskulambipirni ja taskulambipatareiga. Puhtas vees elektrivoolu ei teki ning lamp põlema ei hakka.

Lambis ei ole elektrivoolu, sest puhas vesi ei ole elektrijuht.

Valame teise klaasi kuiva keedusoola ja surume kuivatatud naelad keedusoola sisse. Ka nüüd ei hakka lamp põlema. Puhtas vees ja kuivas keedusoolas elektrivoolu ei teki.

Lambis ei ole elektrivoolu, sest kuiv keedusool ei ole elektrijuht.

Kuiv keedusool ja puhas vesi on isolaatorid.

Elektrivool tekib aga keedusoola vesilahuses.

Lambis on elektri­vool, sest keedusoola vesi­lahus on elektrijuht.

Vette puistatud keedusool lahustub ja tekivad naatriumi positiivsed (Na⁺) ning kloori negatiivsed (Cl^–) ioonid, mis liiguvad lahuses korrapäratult. Kui elektrolüüdi vesilahuses tekitada elektriväli, hakkavad ioonid elektrijõudude mõjul suunatult liikuma ning lahuses tekib elektrivool. Positiivsed ja negatiivsed ioonid liiguvad vastassuundades – positiivsed ioonid vooluallika negatiivse pooluse poole, negatiivsed ioonid aga vooluallika positiivse pooluse poole.

Kui elektrolüüdi vesilahuses tekitada elektri­väli, hakkavad positiivsed ioonid liikuma vooluallika negatiivse, negatiivsed ioonid aga vooluallika positiivse pooluse poole.

Elektrolüüdi vesilahuses on vabadeks laengukandjateks positiivsed ja negatiivsed ioonid. Elektrolüüdi vesilahuses kujutab elektrivool endast positiivsete ja negatiivsete ioonide suunatud liikumist.

1. Vabade elektronide suunatud liikumise kiirus metallis on väga väike. Sellest hoolimata kandub osa elektri­laengust laetud elektroskoobilt mööda metall­varrast laadimata elektroskoobile hetkeliselt. Kuidas nähtust seletada?
2. Ühel elektroskoobil on negatiivne elektrilaeng, teine elektroskoop on laenguta. Oletame, et meil õnnestub „märgistada” kõik laetud elektroskoobi negatiivse elektri­laengu moodustavad vabad elektronid. Kui elektroskoobid metall­varda abil ühendada, kandub osa elektri­laengust laetud elektroskoobilt laadimata elektroskoobile. Kas esialgu laadimata elektroskoobi laeng koosneb nüüd ainult „märgistatud” vabadest laengukandjatest?