Электрический ток в металлах и в водных растворах электролитов

В металлическом стержне, соединяющем заряженный и незаряженный элект­роскопы, возникает электрический ток, так как часть электрического заряда с заряженного электроскопа переносится по стержню на незаряженный элект­роскоп.

Через металлический стержень часть электрического заряда переносится с заряженного электроскопа на незаряженный.

Если же электроскопы соединить пластмассовой линейкой, то электрический заряд с одного электроскопа на другой не переносится, и ток в пластмассовой линейке не возникает.

Через пластмассовую линейку заряд не передается.

Металлический стержень – это проводник, а пластмассовая линейка – диэлектрик. Поскольку электрический ток может возникнуть только в веществе, в котором есть свободные носители заряда, то электрические проводники – это вещества, в которых имеется множество свободных носителей заряда. В диэлектриках электрический ток не возникает, так как в диэлектриках нет свободных носителей заряда. Слово «проводник» в дальнейшем употребляется в двух значениях. Этим словом обозначается и вещество, и тело, в котором может возникнуть электрический ток.

Электрическими проводниками являются металлы, а также водные растворы солей, кислот и щелочей. 

Рассмотрим, какие заряженные частицы являются свободными носителями зарядов в металлах и водных растворах электролитов.

Металлы в твердом состоянии имеют кристаллическое строение. Частицы вещества расположены в кристалле упорядоченно, образуя кристаллическую решетку. От строения кристаллической решетки зависят внешний вид и форма кристалла. В узлах кристаллической решетки металла находятся положительные ионы. Они состоят из атомов металла, которые во время образования кристаллической решетки отдали один или два электрона внешнего электронного слоя. Положительные ионы колеблются около своего положения равновесия.

Свободные электроны в металле хаотически движутся в межузловом пространстве крис­таллической решетки, образованной положительными ионами.

В межузловом пространстве кристаллической решетки движутся свободные электроны (см. рисунок). Свободными их называют потому, что они не связаны ни с одним положительным ионом, благодаря чему могут перемещаться по всему куску металла. Свободные электроны движутся хаотически и с огромной скоростью – около тысячи километров в секунду.

Обычно произвольный кусок металла электрически нейтрален. Это означает, что по величине суммарный отрицательный заряд находящихся в металле свободных электронов равен суммарному положительному заряду ионов кристаллической решетки. Хаотическое движение свободных электронов в металле электрического тока не образует. Об электрическом токе можно говорить лишь тогда, когда свободные носители заряда движутся в одном определенном направлении.

Чтобы в металле возник электрический ток, нужно создать в нем электрическое поле. В электрическом поле на свободные носители заряда действуют электрические силы, заставляющие их двигаться направленно. И хотя под действием электрических сил свободные электроны начинают двигаться направленно, их хаотическое движение тоже продолжается. Каждый свободный носитель заряда движется хаотически и в то же время перемещается вместе с другими в определенном направлении. Движение свободных носителей заряда в электрическом поле похоже на перемещение с одного места на другое комариного роя теплым летним вечером. Каждый отдельный комар летает в рое вверх-вниз, взад-вперед, но достаточно легкого дуновения ветерка – и весь толкущийся комариный рой перемещается на другое место. Электрический ток в металлах представляет собой направленное движение свободных электронов.

Рой комаров летним вечером.

Поскольку заряд электрона отрицателен, то в подсоединенном к источнику тока металлическом проводнике свободные электроны движутся от отрицательного полюса источника тока к положительному. Таким образом, направление движения электронов в металле противоположно условному направлению электрического тока.

Скорость направленного движения электронов в металле очень низкая. Например, в медном проводе сечением 1 мм², соединяющем лампу карманного фонарика с батарейкой, она равна 0,02 мм/с. Таким медленно движущимся частицам для прохождения отрезка провода длиной 1 см потребуется более восьми минут. Как же при такой маленькой скорости движения заряженных частиц получается, что лампа загорается именно в момент нажатия кнопки выключателя?

На этот вопрос легко ответить, если исходить из строения металла. В проводах и нити накаливания лампы очень много свободных электронов, которые равномерно размещаются всюду: и в нити накаливания лампы, и в проводах, соединяющих лампу с источником тока. Когда выключатель разомкнут, в проводах и лампе электрического поля нет. Свободные электроны движутся хаотически и электрический ток отсутствует. Когда выключатель замыкается, электрическое поле почти мгновенно распространяется в проводах и нити накаливания лампы, и под действием электрических сил все свободные электроны одновременно начинают направленно двигаться. Электрический ток возникает одновременно на всем протяжении проводника. Поэтому лампа и загорается в момент нажатия кнопки выключателя.

Возникновение электрического тока в металле похоже на начало движения колонны солдат. Построенные в колонну солдаты стоят и ждут приказа начать движение. Когда приказ дан, все разом начинают шагать. Если вместо солдат представить свободные электроны, а вместо приказа – силу, которая приводит их в движение, то мы получим представление о том, что происходит в металле под действием электрического поля.

После отдания приказа гвардейцы начинают одновременно двигаться в одном направлении.

Нальем в стакан дистиллированную воду и поместим в нее два больших гвоздя. Гвозди соединим проводами с лампочкой карманного фонарика и батарейкой. В чистой воде электрический ток не возникает, и лампочка не загорается.

В лампе нет тока, так как чистая вода не является проводником электричества.

Насыпем в другой стакан сухой поваренной соли и погрузим в нее насухо вытертые гвозди. И теперь лампа тоже не загорается. В чистой воде и в сухой поваренной соли электрический ток не возникает.

В лампе нет тока, так как сухая поваренная соль не является проводником электричества.

Сухая поваренная соль и чистая вода являются изоляторами, или диэлектриками.

Но в водном растворе поваренной соли электрический ток возникает.

В лампе есть ток, так как водный раствор поваренной соли является проводником электричества.

Насыпанная в воду поваренная соль растворяется, и образуются положительные ионы натрия (Na⁺) и отрицательные ионы хлора (Cl^–), которые беспорядочно движутся в растворе. Если в водном растворе электролита создать электрическое поле, то под действием электрических сил ионы начинают двигаться направленно, и в растворе возникает электрический ток. Положительные и отрицательные ионы в этом случае движутся в противоположных направлениях: положительные ионы к отрицательному полюсу источника тока, а отрицательные ионы к положительному полюсу.

Если в водном растворе электролита создать электрическое поле, то положительные ионы начнут двигаться к отрицательному полюсу источника тока, а отрицательные ионы к положительному полюсу.

В водном растворе электролита свободными носителями зарядов являются положительные и отрицательные ионы. Электрический ток в водном растворе электролита представляет собой направленное движение положительных и отрицательных ионов.